Gravitatsioonilainete esimesest otsesest tuvastamisest peaksid eeldatavasti 11. veebruaril teatama Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) teadlased. Kasutades kahte hiiglaslikku LIGO-detektorit - ühte Livingstonis, Louisiana ja teist Hanfordis, Washingtonis - mõõtsid teadlased kosmoseaegadel kahe musta augu kokkupõrkel tekkivat laiskumist ja näivad olevat lõpuks leidnud, mida nad otsisid.
Selline avaldus kinnitaks Albert Einsteini ennustatud gravitatsioonilaineid, mille ta 100 aastat tagasi osaks sai oma üldisest relatiivsusteooriast, kuid tagajärjed sellega ei lõpe. Ruumilise aja kanga vibratsioonina võrreldakse gravitatsioonilisi laineid sageli heliga, muutes need isegi heliribadeks. Gravitatsioonilise laine teleskoobid võimaldaksid teadlastel "kuulda" nähtusi samal viisil, nagu valguseteleskoobid neid näevad.
Kui LIGO võitles 1990. aastate alguses USA valitsuse rahastamise pärast, olid astronoomid tema peamised kandidaadid kongressi kuulamistel. "Siis arvati, et LIGO-l pole astronoomiaga midagi pistmist," ütleb Clifford Will, Gainesville'i Florida ülikooli üldrelatiivsusteoreetik ja üks LIGO varastest pooldajatest. Kuid pärast seda on palju muutunud.
Tere tulemast gravitatsioonilainete astronoomia valdkonda. Vaatame üle probleemid ja nähtused, mida ta võiks paljastada.
Kas mustad augud on tõesti olemas?
LIGO teadaandest oodatav signaal võis olla toodetud kahe ühendava musta augu kaudu. Sellised sündmused on kõige energilisemad teadaolevad sündmused; nende poolt kiirgatud gravitatsioonilainete jõud võib lühidalt varjutada kõik vaadeldava universumi tähed. Mustade aukude ühendamist on ka üsna puhaste gravitatsiooniliste lainete põhjal üsna lihtne tõlgendada.
Reklaamvideo:
LIGO teadaandest oodatav signaal võis olla toodetud kahe ühendava musta augu kaudu. Sellised sündmused on kõige energilisemad teadaolevad sündmused; nende poolt kiirgatud gravitatsioonilainete jõud võib lühidalt varjutada kõik vaadeldava universumi tähed. Mustade aukude ühendamist on ka üsna puhaste gravitatsiooniliste lainete põhjal üsna lihtne tõlgendada.
Mustade aukude liitmine toimub siis, kui kaks musta auku keerduvad üksteise ümber, eraldades energiat gravitatsioonilainete kujul. Nendel lainetel on iseloomulik heli (säuts), mida saab kasutada nende kahe objekti massi mõõtmiseks. Pärast seda ühinevad mustad augud tavaliselt.
“Kujutage ette kahte seebimulli, mis on piisavalt lähedased, et moodustada üks mull. Suurem mull on deformeerunud,”ütleb Pariisi lähedal Teadusuuringute Uuringute Instituudi gravitatsiooniteoreetik Tybalt Damour. Viimane must auk on täiesti sfääriline, kuid kõigepealt peab see kiirgama etteaimatava gravitatsioonilaineid.
Musta augu ühinemiste avastamise üks olulisemaid teaduslikke tagajärgi on kinnitamine mustade aukude olemasolu kohta - vähemalt perfektselt ümmargused objektid, mis on valmistatud puhtast, tühja, kõverdatud kosmoseajast, nagu üldrelatiivsus ennustab. Teine tagajärg on see, et ühinemine toimub nii, nagu teadlased ennustasid. Astronoomidel on selle nähtuse kohta palju kaudset kinnitust, kuid siiani on need olnud tähtede ja ülekuumendatud gaasi vaatlused mustade aukude orbiidil, mitte aga mustade aukude endi.
“Teadlaskonnale, ka mina, ei meeldi mustad augud. Me võtame neid enesestmõistetavana,”ütleb New Jersey Princetoni ülikooli üldrelatiivsussimulatsioonide spetsialist Frans Pretorius. "Kuid kui mõelda, milline hämmastav ennustus see on, vajame tõeliselt hämmastavaid tõendeid."
Kas gravitatsioonilained liiguvad valguse kiirusel?
Kui teadlased hakkavad LIGO vaatlusi teiste teleskoopide vaatlustega võrdlema, kontrollivad nad esimese asjana, kas signaal saabus samal ajal. Füüsikud usuvad, et gravitatsiooni edastavad gravitatsiooniosakesed, footonite gravitatsioonianaloog. Kui nendel osakestel nagu footonitel pole massi, liiguvad gravitatsioonilained valguse kiirusel, mis on kooskõlas gravitatsioonilainete kiiruse prognoosiga klassikalises relatiivsusteaduses. (Nende kiirust võib mõjutada Universumi kiirenev laienemine, kuid see peaks ilmnema vahemaadest, mis ületavad märkimisväärselt LIGO kaetust).
On aga täiesti võimalik, et gravitatsioonidel on väike mass, mis tähendab, et gravitatsioonilained liiguvad valguse kiirusel vähem. Nii näiteks, kui LIGO ja Neitsi tuvastavad gravitatsioonilained ja saavad teada, et lained saabusid Maale hiljem kui seostatud gammakiirte kosmilise sündmusega, võib sellel olla fataalsele faasile fataalsed tagajärjed.
Kas kosmoseaeg koosneb kosmilistest keeltest?
Võõrasem avastus võib juhtuda siis, kui avastatakse gravitatsiooniliste lainete pursked, mis tekivad "kosmilistest keeltest". Need hüpoteetilised ruumi-aja kumerusdefektid, mis võivad olla seotud keelte teooriatega, peaksid olema lõpmata õhukesed, kuid sirutatud kosmiliste vahemaade taha. Teadlased ennustavad, et kosmilised stringid, kui need on olemas, võivad kogemata painduda; kui nöör paindub, põhjustab see gravitatsiooni tõusu, mida detektorid nagu LIGO või Neitsi võiksid mõõta.
Kas neutronitähed võivad olla sakilised?
Neutronitähed on suurte tähtede jäänused, mis varisesid kokku oma raskuse all ja muutusid nii tihedaks, et elektronid ja prootonid hakkasid sulama neutroniteks. Teadlastel on neutron aukude füüsikast vähe aru, kuid gravitatsioonilained võiksid neist palju öelda. Näiteks põhjustab intensiivne gravitatsioon nende pinnal neutrontähti peaaegu täiuslikuks. Kuid mõned teadlased on väitnud, et neil võivad olla ka mõne millimeetri kõrgused mäed, mis muudavad need 10 kilomeetri läbimõõduga tihedad objektid mitte pisut asümmeetrilisteks. Neutronitähed pöörlevad tavaliselt väga kiiresti, nii et asümmeetriline massijaotus väänab kosmoseaega ja tekitab pideva sinusoidaalse gravitatsioonilaine signaali, aeglustades tähe pöörlemist ja eraldades energiat.
Paar neutrontähte, mis pöörlevad üksteise ümber, annavad ka konstantset signaali. Nagu mustad augud, on need tähed spiraalsed ja sulanduvad lõpuks eristatavaks heliks. Kuid selle eripära erineb mustade aukude kõla eripärast.
Miks tähed plahvatavad?
Mustad augud ja neutrontähed tekivad siis, kui massiivsed tähed lakkavad paistmast ja varisevad iseendaks. Astrofüüsikute arvates on see protsess kõigi II tüüpi supernoova plahvatuste kõige tavalisemate keskpunktide keskmes. Selliste supernoovade simulatsioonid ei ole veel selgitanud, miks need süttivad, kuid usutakse, et vastus on tõelise supernoova kiirgavate gravitatsiooniliste lainepurskete kuulamine. Sõltuvalt sellest, millised purskelained välja näevad, kui valjud nad on, kui sageli neid esinevad ja kuidas nad korreleeruvad elektromagnetiliste teleskoopide abil jälgitavate supernoovadega, võivad need andmed aidata välistada hulga olemasolevaid mudeleid.
Kui kiiresti universum laieneb?
Laienev universum tähendab, et kauged objektid, mis meie galaktikast eemalduvad, näivad punasemad kui nad tegelikult on, kuna nende kiirgatav valgus on liikumisel sirutatud. Kosmoloogid hindavad universumi laienemise määra, võrreldes galaktikate punanihkega seda, kui kaugel nad meist on. Kuid seda kaugust hinnatakse tavaliselt Ia tüüpi supernoovade heleduse järgi ja see tehnika jätab palju ebakindlust.
Kui mitmed gravitatsioonilise laine detektorid kogu maailmas tuvastavad samade neutrontähtede ühinemisest tulenevad signaalid, saavad nad koos signaali valjuhääldit ja ka ühinemise kaugust absoluutselt täpselt hinnata. Samuti saavad nad hinnata suunda ja koos sellega tuvastada galaktika, milles sündmus aset leidis. Võrreldes selle galaktika punast nihet kaugusega ühinevate tähtedeni, võib saada sõltumatu kosmilise laienemise kiiruse, mis võib olla täpsem, kui praegused meetodid võimaldavad.
