Prvo neposredno odkrivanje gravitacijskih valov naj bi znanstveniki objavili 11. februarja v naprednem laserskem interferometru Gravitacijsko-valovni observatorij (LIGO). Z uporabo dveh velikanskih LIGO detektorjev - enega v Livingstonu, Louisiani in drugega v Hanfordu v Washingtonu - so znanstveniki izmerili valovanja v vesolju, ki nastanejo ob trku dveh črnih lukenj in zdi se, da so končno našli tisto, kar so iskali.
Takšna izjava bi potrdila gravitacijske valove, ki jih je napovedoval Albert Einstein, ki jih je del svoje splošne teorije relativnosti opravil pred 100 leti, vendar se posledice tam ne bodo končale. Kot vibracija tkanine vesolja in časa se gravitacijski valovi pogosto primerjajo z zvokom, celo preoblikujejo se v zvočne posnetke. Gravitacijski valovni teleskopi bi znanstvenikom omogočili, da "slišijo" pojave na enak način, kot jih vidijo svetlobni teleskopi.
Ko se je LIGO v začetku devetdesetih let boril za financiranje vlade ZDA, so bili astronomi glavni kandidati na kongresnih zaslišanjih. "Takrat je bilo mišljeno, da LIGO nima nobene zveze z astronomijo," pravi Clifford Will, teoretik splošne relativnosti na Floridski univerzi v Gainesvillu in eden prvih zagovornikov LIGO. A od takrat se je marsikaj spremenilo.
Dobrodošli na področju astronomije gravitacijskih valov. Pojdimo čez vprašanja in pojave, ki bi jih lahko razkrila.
Ali črne luknje res obstajajo?
Signal, ki ga pričakujemo z napovedjo LIGO, bi lahko povzročil dve združljivi črni luknji. Taki dogodki so najbolj energično znani; sila gravitacijskih valov, ki jih oddajajo, lahko na kratko zasenči vse zvezde opazovanega vesolja v celoti. Združevanje črnih lukenj je tudi zelo enostavno razlagati iz zelo čistih gravitacijskih valov.
Promocijski video:
Signal, ki ga pričakujemo z napovedjo LIGO, bi lahko povzročil dve združljivi črni luknji. Taki dogodki so najbolj energično znani; sila gravitacijskih valov, ki jih oddajajo, lahko na kratko zasenči vse zvezde opazovanega vesolja v celoti. Združevanje črnih lukenj je tudi zelo enostavno razlagati iz zelo čistih gravitacijskih valov.
Združevanje črnih lukenj nastane, ko dve črni luknji spirali okoli sebe, oddajata energijo v obliki gravitacijskih valov. Ti valovi imajo značilen zvok (cvrkljanje), ki ga lahko uporabimo za merjenje mase teh dveh predmetov. Po tem se črne luknje običajno združijo.
"Predstavljajte si dva milna mehurčka, ki se dovolj približata, da tvorita en mehurček. Večji mehurček je deformiran, "pravi Tybalt Damour, gravitacijski teoretik na Inštitutu za napredne znanstvene raziskave v Parizu. Končna črna luknja bo popolnoma sferična, vendar mora najprej oddajati gravitacijske valove predvidljivega tipa.
Ena najpomembnejših znanstvenih posledic odkrivanja združitev črnih lukenj bo potrditev obstoja črnih lukenj - vsaj popolnoma krožnih predmetov, sestavljenih iz čistega, praznega, ukrivljenega vesoljskega časa, kot je napovedovala splošna relativnost. Druga posledica je, da se združitev nadaljuje tako, kot so napovedali znanstveniki. Astronomi imajo veliko posredne potrditve tega pojava, vendar so bila doslej to opažanja zvezd in pregretega plina v orbiti črnih lukenj, in ne samih črnih lukenj.
"Tudi znanstvena skupnost ne mara črnih lukenj. Vzamemo jih za samoumevne, «pravi Frans Pretorius, specialist za splošne relativne simulacije na univerzi Princeton v New Jerseyju. "Toda če pomislite, kakšna neverjetna napoved je to, potrebujemo resnično neverjeten dokaz."
Se gravitacijski valovi gibljejo s svetlobno hitrostjo?
Ko znanstveniki začnejo primerjati opazovanja LIGO s tistimi iz drugih teleskopov, je prva stvar, ki jo preverijo, ali je signal prišel hkrati. Fiziki verjamejo, da gravitacijo prenašajo gravitonski delci, gravitacijski analog fotonov. Če ti delci, tako kot fotoni, nimajo mase, se bodo gravitacijski valovi premikali s svetlobno hitrostjo, skladno s napovedjo hitrosti gravitacijskih valov v klasični relativnosti. (Na njihovo hitrost lahko vpliva pospešitev širjenja Vesolja, vendar bi se to moralo pokazati na razdaljah, ki znatno presegajo hitrosti, ki jih prekriva LIGO).
Povsem mogoče je, da imajo gravitoni majhno maso, kar pomeni, da se bodo gravitacijski valovi gibali s hitrostjo, manjšo od svetlobe. Če na primer LIGO in Devica zaznata gravitacijske valove in ugotovita, da so valovi na Zemljo prispeli pozneje, kot so povezani s kozmičnim dogodkom gama žarkov, bi to lahko imelo usodne posledice za temeljno fiziko.
Ali je vesoljski čas narejen iz kozmičnih strun?
Še bolj nenavadno odkritje bi se lahko zgodilo, če bi odkrili razpoke gravitacijskih valov, ki izvirajo iz "kozmičnih strun." Te hipotetične pomanjkljivosti ukrivljenosti prostora in časa, ki so lahko povezane s teorijami strun ali niso povezane, bi morale biti neskončno tanke, vendar raztegnjene na vesoljske razdalje. Znanstveniki predvidevajo, da bi se kozmični nizi, če obstajajo, lahko slučajno upognili; če se vrvica upogne, bo to povzročilo gravitacijski val, ki bi ga lahko merili detektorji, kot sta LIGO ali Devica.
Ali lahko nevtronske zvezde nazobčajo?
Nevtronske zvezde so ostanki velikih zvezd, ki so se zrušile pod lastno težo in postale tako gosto, da so se elektroni in protoni začeli topiti v nevtrone. Znanstveniki slabo razumejo fiziko nevtronskih lukenj, vendar bi gravitacijski valovi o njih lahko veliko povedali. Na primer, intenzivna gravitacija na njihovi površini povzroči, da nevtronske zvezde postanejo skoraj popolnoma sferične. Toda nekateri znanstveniki nakazujejo, da imajo morda tudi "gore" - nekaj milimetrov višine - zaradi katerih so ti gosti predmeti, premera 10 kilometrov, ne več asimetrični. Nevtronske zvezde se običajno vrtijo zelo hitro, zato bo asimetrična porazdelitev mase preskočila vesolje in proizvedla stalen sinusoidni gravitacijski valni signal, upočasnila vrtenje zvezde in oddajala energijo.
Parovi nevtronskih zvezd, ki se vrtijo okoli druge, prav tako oddajajo stalen signal. Tako kot črne luknje se tudi te zvezde spiralizirajo in se sčasoma združijo v značilen zvok. Toda njegova specifičnost se razlikuje od specifičnosti zvoka črnih lukenj.
Zakaj eksplodirajo zvezde?
Črne luknje in nevtronske zvezde se tvorijo, ko masivne zvezde prenehajo sijati in se zrušiti vase. Astrofiziki menijo, da je ta postopek v središču vseh običajnih eksplozij supernove tipa II. Simulacije takšnih supernov še niso pokazale, zakaj se vžgejo, toda poslušanje gravitacijskih valov, ki jih oddaja resnična supernova, naj bi predstavljalo odgovor. Glede na to, kako izgledajo razpočni valovi, kako glasni so, kako pogosto se pojavljajo in kako se povezujejo z supernovami, ki jih spremljajo elektromagnetni teleskopi, bi ti podatki lahko izključili kopico obstoječih modelov.
Kako hitro se vesolje širi?
Razširjajoče se vesolje pomeni, da se oddaljeni predmeti, ki se oddaljujejo od naše galaksije, zdijo bolj rdeči kot v resnici, saj se svetloba, ki jo oddajajo, razteza med premikanjem. Kozmologi ocenjujejo hitrost širjenja vesolja s primerjanjem rdečega premika galaksij in tega, kako daleč so od nas. Toda to razdaljo običajno ocenimo iz svetlosti supernov tipa Ia in ta tehnika pušča veliko negotovosti.
Če več detektorjev gravitacijskega vala po vsem svetu zazna signale iz združitve istih nevtronskih zvezd, lahko skupaj popolnoma natančno ocenijo glasnost signala in z njim razdaljo, na kateri je združitev potekala. Prav tako bodo lahko ocenili smer in z njo prepoznali galaksijo, v kateri se je dogodek zgodil. Če primerjamo rdeč premik te galaksije z razdaljo do zvez, ki se združujejo, lahko dobimo neodvisno hitrost kozmičnega širjenja, ki je morda natančnejša, kot to omogočajo trenutne metode.