Gravitacinės bangos: su kuo jos valgomos

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.