Gravitacinės bangos: 6 kosminiai klausimai, į kuriuos jos gali padėti atsakyti

Tikimasi, kad Pažangi lazerinio interferometro gravitacijos bangų observatorija (Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – LIGO) pirmąjį tiesioginį gravitacinių bangų (GB) užfiksavimą paskelbs vasario 11 dieną. Kalbama, kad naudodami du didžiulius LIGO detektorius dvynius — vieną Livingstone, Luizianos valstijoje ir kitą kitą Hanforde, Vašingtono valstijoje — tyrėjai išmatavo erdvėlaikio bangas, sukeltas dviejų juodųjų bedugnių susijungimo.

Toks pranešimas patvirtintų Alberto Einšteino gravitacinių bangų prognozę, padarytą beveik tiksliai prieš šimtą metų ¹ kaip dalį savo bendrosios reliatyvumo teorijos — bet šio atradimo reikšmė būtų daug didesnė. Kaip erdvėlaikio audinio vibracijos, GB dažnai lyginamos su garsu ir netgi buvo konvertuotos į garso sekas. Iš esmės, GB teleskopais mokslininkai galėtų „išgirsti“ reiškinius tuo pačiu laiku, kaip ir šviesos teleskopai juos „mato“. (LIGO ir mažesnio jos partnerio Italijoje –Virgo – nariai jau parengė sistemas, įspėjančias su kitų tipų teleskopais dirbančius tyrėjus).

Kai paėjusio amžiaus paskutiniojo dešimtmečio pabaigoje LIGO kovojo dėl JAV vyriausybės finansavimo, pagrindiniai jų oponentai Kongreso perklausose buvo kiti astronomai². „Vyravo bendras požiūris, kad LIGO nelabai susijusi su astronomija,” sako Clifford Will, bendrojo reliatyvumo teoretikas Floridos universitete Gainesville'yje ir vienas pirmųjų LIGO palaikytojų. Bet dabar reikalai pakito, sako jis.

Sveiki atvykę į GB astronomijos sritį³: apžvelgsime klausimus ir reiškinius, kuriuos ji gali tyrinėti.

Ar juodosios bedugnės išties egzistuoja?

Kalbama, kad signalą, apie kurį, kaip tikimasi, ketvirtadienį paskelbs LIGO sukūrė dvi besijungiančios juodosios bedugnės. Tokie įvykiai yra patys energingiausi; jų skleidžiamų GB galia trumpam gali prilygti bendrai visai regimosios visatos žvaigždžių skleidžiamai GB galiai. JB susijungimai taip pat sukuria vienus iš „švariausių“ GB signalų.

JB susijungimai vyksta, kai dvi JB ima suktis viena apie kitą, spinduliuodamos energiją GB pavidalu. Šios bangos turėtų skleisti charakteringą čirpimą, pagal kurį galima išmatuoti dviejų objektų mases. Paskui JB susilieja. „Tai lyg dviejų muilo burbulų suartinimas taip, kad jie suformuoja vieną burbulą. Iš pradžių didesnis burbulas deformuojasi,” sako Thibault Damour, gravitacijos teoretikas iš Pažangių mokslinių tyrimų instituto šalia Paryžiaus. Iš dviejų JB susidariusi viena paskui irgi įgyja idealiai sferišką formą, bet pirma, kaip spėjama, ji išspinduliuoja specifines GB.

Viena iš svarbiausių JB susijungimo aptikimo pasekmių mokslui būtų patvirtinimas, kad JB išties egzistuoja — bent jau kaip idealiai apvalūs objektai iš gryno, tuščio, išlenkto erdvėlaikio, kurių egzistavimą numatė bendrasis reliatyvumas. Kita pasekmė būtų tai, kad susijungimas vyksta taip, kaip numatyta. Astronomai turi daugybę netiesioginių šio reiškinio įrodymų, bet kol kas jie buvo iš žvaigždžių ir karštų dujų, besisukančių apie numanomas JB stebėjimų, o ne iš pačių JB.

„Mokslo bendruomenei, įskaitant ir mane, juodosios bedugnės dėl pernelyg dažno minėjimo tapo nebeįdomios. Mums jos tapo savaime suprantamu dalyku,” sako Fransas Pretorius, bendrojo reliatyvumo simuliacijų specialistas Princetono universitete New Jersey'yje. „Bet įsigilinus, kokia tai iš tiesų stulbinama prognozė, mums išties reikia stulbinamų įrodymų.”

Ar gravitacijos bangos sklinda šviesos greičiu?

Kai mokslininkai ims lyginti stebėjimus iš LIGO su kitų tipų teleskopų duomenimis, vienas iš pirmųjų dalykų bus tai, ar signalai atkeliauja vienodu greičiu. Fizikai kelia hipotezę, kad gravitaciją perduoda dalelės – gravitonai, gravitacinis fotonų analogas. Jei, kaip ir fotonai, jie gravitonai neturi masės, tada GB turėtų sklisti šviesos greičiu, kokį ir numato klasikinis bendrasis reliatyvumas. (Jų greitį galėtų paveikti spartėjantis visatos plėtimasis, bet tai turėtų pasireikšti daug didesniais atstumais, nei LIGO gali aptikti⁴).

Bet įmanoma, kad gravitonai mažą masę turi, kas reikštų, kad gravitacinės bangos sklinda mažesniu už c greičiu. Tad, jeigu, tarkime, LIGO ir Virgo aptiktų kosminio įvykio gravitacines bangas ir išsiaiškintų, kad bangos lig Žemė keliavo kiek ilgiau, nei susijęs γ (gama) spindulių blyksnis, aptiktas įprastesniu teleskopu, tai turėtų didžiules pasekmes fundamentaliajai fizikai.

Ar erdvėlaikis sudarytas iš kosminių stygų?

Dar keistesnis atradimas paaiškėtų, jei GB būtų aptiktos sklindančios iš „kosminių stygų“. Šie hipotetiniai erdvėlaikio išlinkimo defektai, kurie gali būti (nors visai nebūtinai) susiję su stygų teorija, yra neišpasakytai ploni, tačiau tęsiasi kosminiais atstumais. Mokslininkai spėja, kosminės stygos, jei egzistuoja, kartkartėmis gali susimazgyti; nutrūkdama styga išlaisvintų gravitacinių bangų pliūpsnį, kurį galėtų užfiksuoti LIGO ir Virgo detektoriai.

Ar neutroninės žvaigždės raukšlėtos?

Neutroninės žvaigždės yra didesnių į save kolapsavusių žvaigždžių liekanos, kurios tampa tokios tankios, kad jas sudarantys elektronai ir protonai susijungia į neutronus. Ekstremali jų fizika dar menkai suprasta, tačiau gravitacinės bangos galėtų suteikti unikalių įžvalgų. Pavyzdžiui, dėl stiprios gravitacijos paviršiuje, neutroninės žvaigždės praktiškai idealiai sferiškos. Bet kai kurie tyrėjai iškėlė prielaidą, kad jose visgi gali būti „kalnai“ — daugiausiai kelių milimetrų aukščio — darantys šiuos objektus, kurių skersmuo apie 10 kilometrų, šiek tiek asimetriškais. Neutroninės žvaigždės įprastai itin sparčiai sukasi, tad asimetriškas masės pasiskirstymas deformuotų erdvėlaikį ir sukurtų nuolatinį, sinuso formos GB signalą, kuris spinduliuotų energiją, stabdydamas žvaigždės sukimąsi.

Aplink viena kitą besisukančių neutroninių žvaigždžių pora irgi skleistų nuolatinį signalą. Kaip kad ir JB, šios žvaigždės suktųsi viena aplink kitą ir galiausiai susijungtų, kartais sukurdamos girdimą čirpimą. Bet galutinės jų stadijos dramatiškai skirtųsi nuo susijungiančių JB. „Yra daugybė galimybių, priklausančių nuo masės ir kiek spaudimo gali sukelti neutronų tankumo materija,” sako Pretorius. Pavyzdžiui, neutroninių žvaigždžių susijungimo rezultatas gali būti didžiulė neutroninė žvaigždė, arba jos gali kolapsuoti ir pavirsti juodąja bedugne.

Kodėl žvaigždės sprogsta?

Juodosios bedugnės ir neutroninės žvaigždės randasi, kai masyvios žvaigždės, išnaudojusios branduolinį kurą, nustoja šviesti ir kolapsuoja, „įkrenta“ į save. Astrofizikai mano, kad šis procesas ir teikia energiją įprastiems, vadinamiems II tipo supernovų sprogimams. Tokių supernovų simuliacijos dar nėra aiškiai parodžiusios kas jas įžiebia, tačiau klausymas gravitacinių bangų pliūpsnių, kuriuos, manoma, tikros supernovos sukuria, galėtų padėti rasti atsakymą. Priklausomai nuo žybsnio bangos formos, garsumo, dažnio ir koreliacijos su elektromagnetinių teleskopų registruojamu vaizdu, duomenys galėtų padėti patvirtinti ar atmesti įvairius esančius modelius.

Kaip sparčiai plečiasi visata?

Visatos plėtimasis reiškia, kad tolimi, nuo mūsų tolstantys objektai atrodo raudonesni nei iš tikrųjų yra, nes jų išspinduliuota šviesa, sklisdama besiplečiančia erdve, „ištįsta“. Kosmologų visatos plėtimosi spartą vertina, lygindami galaktikų raudonąjį poslinkį su atstumu nuo mūsų. Bet šis atstumas dažniausiai vertinamas pagal „Ia tipo“ supernovų šviesį — šioje technikoje dar lieka daug neužtikrintumo.

Jei keletas gravitacinių bangų detektorių pasaulyje aptiktų to paties neutroninių žvaigždžių susiliejimo signalus, drauge galėtų įvertinti absoliutų signalo garsumą, kas parodytų, kaip toli įvyko susiliejimas. Taip pat būtų galima įvertintį jo sklidimo kryptį; astronomai galėtų apskaičiuoti, kurioje galaktikoje įvyko susiliejimas. Tos galaktikos raudonojo poslinkio palyginimas su išmatuotu gravitacinių bangų garsumu galėtų suteikti nepriklausomą visatos plėtimosi spartos įvertinimą, kuris galėtų būti tikslesnis už dabar naudojamus metodus.

Davide Castelvecchi
nature.com

doi:10.1038/nature.2016.19337


Nuorodos:
¹ Einstein, A. Sitsber. K. Preuss. Aka. 1, 688–696 (1916).

² Colspanns, H. Gravity’s Shadow (University of Chicago Press, 2004).

³ Sathyaprakash, B. S. & Schutz, B. F. Living Rev. Relativity http://dx.doi.org/10.12942/lrr-2009-2 (2009).

⁴ Ashtekar, A., Bonga, B. & Kesavan, A. Phys. Rev. Lett. 116, 051101 (2016).
     straipsnis