Gravitacinės bangos: su kuo jos valgomos
|
Gravitacinių bangų signalas, atsklidęs iš susijungiančios juodųjų skylių poros, užfiksuotas dviejuose detektoriuose JAV: Vašingtone ir Luizianoje.
©NASA APOD Rašydamas šituos žodžius, dar nežinau, ar šiandien* bus paskelbta apie gravitacinių bangų atradimą, bet visos gandų mašinos sako, kad bus. Neabejoju, kad apie atradimą bus rašoma visur žiniasklaidoje. Taip pat neabejoju, kad tarp paaiškinimų apie atradimo reikšmę bus ir teisingų, ir klaidingų, ir visiškai ne į temą. Tad parašysiu ir aš trumpą paaiškinimą, kas per dalykas tos gravitacinės bangos ir kodėl bandome jas aptikti. Galbūt tai bus ne pats klaidingiausias paaiškinimas, kurį matysite per artimiausias dienas :)
Pradėsiu nuo nuorodos į įrašą, kurį dariau prieš beveik dvejus metus. Tada, 2014-ųjų kovą, buvo paskelbta apie pirmykščių, nuo Didžiojo sprogimo užsilikusių, gravitacinių bangų aptikimą. Tiksliau apie jų paliktą pėdsaką kosminėje foninėje spinduliuotėje. Visgi vėliau paaiškėjo, kad signalas buvo mūsų Galaktikoje esančių dulkių paliktas triukšmas. Bet stebėjimai, aišku, nesiliovė. Toks gravitacinių bangų susidarymo mechanizmas yra analogiškas elektromagnetinei spinduliuotei. Krūvį turintis objektas, judantis su pagreičiu, skleidžia spinduliuotę. Netrukus po bendrosios reliatyvumo teorijos suformulavimo, Albertas Ainštainas (tas, kurį paprastai Einšteinu vadina) išvedė ir gravitacinių bangų prognozę. Ir štai, po šimto metų jas pavyko aptikti tiesiogiai. Tiesiogiai bangos aptinkamos lazeriniu interferometru. Tai toks prietaisas, kuriame lazerio šviesa padalinama į du spindulius, nukreipiamus ilgais tuneliais statmenomis kryptimis. Kiekvieno tunelio gale spindulys atsispindi ir grįžta atgal, tada abu spinduliai sujungiami į vieną ir nukreipiami į ekraną. Jei abiejų spindulių nukeliauti atstumai yra tiksliai vienodi, lazerio šviesos bangos interferuoja destruktyviai – viena kitą panaikina ir jokio signalo detektorius neužfiksuoja. Tačiau jei vienas iš tunelių yra ilgesnis už kitą, gaunamas signalas, nebent ilgių skirtumas yra spindulio bangos ilgio kartotinis. Gravitacinė banga, pralėkdama pro detektorių, jo tunelius iškreipia nevienodai, taigi teoriškai bangą aptikti įmanoma. Žinoma, pirmiausia reikia kuo geriau pašalinti visas kitas įmanomas vibracijas, pradedant netoliese važinėjančių automobilių keliamais virpesiais, baigiant Žemės tektoninių plokščių judėjimu. Yra būdų aptikti gravitacines bangas netiesiogiai. Du vienas aplink kitą besisukantys objektai, spinduliuojantys šias bangas, praranda energiją, todėl jų orbita po truputį mažėja. Orbitos periodo trukmę labai tiksliai galime išmatuoti dvinariuose pulsaruose, tokiuose kaip Hulse-Taylor objektas. Šios poros sukimosi periodas trumpėja tiksliai taip, kaip prognozuoja bendroji reliatyvumo teorija, o jo atradimas 1974-aisiais metais buvo pirmasis rimtas gravitacinių bangų egzistavimo įrodymas. Atradėjai 1993-aisiais pasidalino Nobelio fizikos premiją. Juodųjų skylių poros masės buvo 29 ir 36 kartus didesnės nei Saulės. Jos sukosi viena aplink kitą, o sukdamosi spinduliavo gravitacines bangas. Atstumas tarp jų mažėjo, sukimasis spartėjo, gravitacinės bangos stiprėjo, o jų dažnis augo. Galiausiai jos pasidarė tokios stiprios, kad Advanced LIGO detektorius sugebėjo aptikti. Pagautas signalas truko mažiau nei sekundę, bet jame aiškiai matyti bent septynios bangos keteros. Ir signalas visiškai atitiko tai, ką prognozuoja bendroji reliatyvumo teorija; būtent priderinę modelio parametrus prie signalo dažnio ir jo kitimo, LIGO komandos nariai ir nustatė juodųjų skylių mases. Juodosios skylės susiliejo į vieną, kuri dar trumpą laiką (vėlgi – trumpiau nei sekundę) virpėjo – tai matoma kaip slopstantis signalas. Iš jo savybių nustatyta, kad naujoji juodoji bedugnė yra 62 kartus masyvesnė už Saulę. Tai reiškia, kad 3 Saulės masės prarastos kaip energija – išspinduliuotos gravitacinėmis bangomis. Trys Saulės masės virto energija per keletą milisekundžių. Kaip spaudos konferencijos metu gerai pastebėjo Kipas Tornas (Kip Thorne), trumpą laiką besijungiančių juodųjų skylių gravitacinė spinduliuotė turėjo daugiau galios, nei visos Visatos žvaigždės kartu sudėjus. Toks stiprus signalas pasklido po visą Visatą. Kol atsklido iki mūsų, bangos amplitudė liko mažytė – erdvė ištempta/suspausta vos 10⁻²¹ karto. Advanced LIGO detektorių kiekvieno tunelio ilgis yra po 4 km; šis atstumas susitraukė ar išsiplėtė mažiau nei per vieną tūkstantąją protono skersmens dalį. Ir visgi to užteko, kad signalas būtų pagautas. Žinodami pradinę bangos energiją ir dabartinę amplitudę, astronomai nustatė ir atstumą iki jos šaltinio – 410 megaparsekų, kas atitinka 1,3 milijardo metų praeitį. Signalas aptiktas abiejuose Advanced LIGO detektoriuose – tai žymiai padidina tikimybę, kad signalas yra tikras. Šiek tiek anksčiau jis prasidėjo Luizianoje, maždaug po septynių milisekundžių – Vašingtone. Ši informacija leido apytikriai nustatyti ir kryptį, iš kurios banga atsklido: greičiausiai tai yra pietinis dangaus, maždaug Magelano debesų link. Tikslesniam nustatymui reikėtų dar bent vieno detektoriaus, kad pavyktų trianguliuoti signalą.
Nors signalas užfiksuotas dar rugsėjį, iki pat dabar komanda jį analizavo, tikrino jo patikimumą ir t. t. Dabar rezultatai surašyti į straipsnį, kuris praėjo recenzavimo procesą ir šiandien buvo paskelbtas žurnale Physical Review Letters.
Kad suprastume atradimo reikšmę, reikia prisiminti, kad iki šiol visa informacija apie kosmosą mus pasiekė tik elektromagnetinių bangų pavidalu. Ar tai būtų radijo bangos, atsklindančios iš energingų dalelių sąveikų su magnetiniais laukais, ar regimieji žvaigždžių šviesos spinduliai, ar rentgeno spinduliuotė iš juodųjų skylių akrecinių diskų – visa tai yra elektromagnetinės bangos. Nepaisant to, skirtingi jų diapazonai – radijo, submilimetrinės, infraraudonosios, regimosios, ultravioletinės, rentgeno ir gama bangos – atskleidžia labai skirtingą kosmoso vaizdą, leidžia aptikti ir tyrinėti skirtingus procesus. Prieš paleidžiant pirmąjį kosminį teleskopą, buvo ginčijamasi dėl jo poreikio, nes „vis tiek juo bus matoma tas pats, kas iš Žemės, tik šiek tiek ryškiau“. Vėliau paaiškėjo, kad taip teigusieji labai klydo. Gravitacinės bangos – fundamentaliai kitoks informacijos apie kosmosą gavimo būdas. Galėdami identifikuoti jų šaltinius, mes atveriame net ne naują langą į kosmosą, mes įgyjame naują observatoriją. Dar vieną panašią observatoriją mums duos neutrinų stebėjimai, kurių gaudymas pernai davė pirmuosius rezultatus. O šis gravitacinių bangų aptikimas mums jau atskleidė, kad…:
Ir tai – tik pirmieji duomenys, gauti dar oficialiai neprasidėjus Advanced LIGO darbui. Tikimasi, kad tolesni stebėjimai atskleis dar ne vieną gravitacinių bangų šaltinį. Advanced LIGO detektoriai jautrūs bangoms, kurių dažnis siekia nuo kelių iki tūkstančio hercų (t. y. per sekundę pro mus pralekia nuo kelių iki tūkstančio bangų keterų). Tokias bangas turėtų skleisti kompaktiškos ekstremalios dvinarės, sudarytos iš juodųjų skylių ir neutroninių žvaigždžių, bei supernovų sprogimai. Truputį mažesnio dažnio gravitacines bangas, kurių periodai trunka nuo sekundžių iki valandų, tikimasi aptikti kosminiais interferometrais. Tokio interferometro projekto LISA (Laser Interferometer Space Array) pilotiniai detektoriai pernai išskrido į kosmosą. Dar ilgesnes gravitacines bangas tikimasi aptikti tik netiesiogiai – stebint pulsarų judėjimo pokyčius. Antžeminių detektorių, tokių kaip LIGO, bus ir daugiau. LIGO konsorciumas šiuo metu derasi su kolegomis Indijoje, Europoje Prancūzija ir Italija bendradarbiauja Virgo konsorciume, savo detektorių stato ir Japonija. Šie detektoriai, dalindamiesi informacija, sukurs planetos dydžio gravitacinių bangų paieškos tinklą, kuris leis nustatyti ir šaltinių savybes, ir jų padėtis erdvėje. Mūsų laukia puikūs laikai ir daug naujovių. Laiqualasse * straipsnelis rašytas vakar, vasario 11 dieną, prieš paskelbiant gravitacinių bangų atradimą, kurį galite pažiūrėti: ▲
| ||||||||||
| ||||||||||
