Kmalu, zelo kmalu, v četrtek, 11. februarja, ob 10.30 po vzhodnem času, bomo verjetno izvedeli na kateri koli od več novinarskih konferenc – v Nacionalnem novinarskem klubu v Washingtonu, D.C. , v Hannover, Nemčija , blizu Pise v Italiji in drugje – da so bili gravitacijski valovi prvič izmerjeni neposredno. To bi pomenilo prvo neposredno odkrivanje majhnih popačenj prostor-časa, ki potujejo s svetlobno hitrostjo, kar je prvi postuliral Albert Einstein pred skoraj natanko 100 leti.
Čas je, da se pozanimajte o osnovah gravitacijskih valov: In Gravitacijski valovi in kako izkrivljajo prostor , smo si ogledali, kakšni gravitacijski valovinarediti. V Detektorji gravitacijskih valov: kako delujejo videli smo, kako lahkomeritigravitacijskih valov. Tretji in zadnji korak: Kaj so tipični viri gravitacijskih valov? Kako nastanejo ti valovi?
Predmeti v orbiti
Najenostavnejša situacija, ki proizvaja gravitacijske valove v kozmosu, je skoraj vseprisotna: dva ali več predmetov, ki krožijo drug okoli drugega pod lastno gravitacijo. Valovi, ki jih ustvarjajo, spominjajo na zelo počasen mešalnik sredi bazena vode:
To seveda ni nekaj, kar bi videli. Val, ki je prikazan tukaj, predstavlja moč minutnih sprememb v razdalji, ki bi jih povzročil gravitacijski val, tako kot smo videli v Gravitacijski valovi in kako izkrivljajo prostor . Za animacijo je poskrbel Sascha Husa iz Univerza na Balearskih otokih .
Posredni dokazi
Gravitacijski valovi, ki jih oddajajo predmeti v orbiti, odnašajo energijo. Elementarna fizika vam pove, da se bo razdalja med objektoma, ki krožita, zmanjšala, če boste odstranili energijo iz sistema v orbiti, in bosta krožila drug drugega hitreje kot prej.
Pravzaprav so bili gravitacijski valovi, ki pospešujejo binarni sistem nevtronskih zvezd, prvi dokaz za obstoj gravitacijskih valov. Binarno nevtronsko zvezdo je odkril Hulse in Taylor leta 1974 , in pospešitev, ki jo povzročajo gravitacijski valovi, ki jih je objavil Taylor in Weisberg leta 1984 , po natančni analizi sedemletnih podatkov. Hulse in Taylor sta bila nagrajena Nobelova nagrada za fiziko leta 1993 za njihovo odkritje.
Tukaj, na sliki iz članka avtorja Weisberg 2010 , je ujemanje med splošno relativistično napovedjo in opazovanjem v vsem svojem sijaju (ali vsaj v vsem svojem sijaju do leta 2005):
Ko se nevtronski zvezdi pospešita, bosta vedno prej dosegli točko najbližjega približevanja v svoji orbiti. Koliko prej, v sekundah, je narisano na navpični osi, leto meritve na vodoravni osi.
Vprašanje pogostosti
Današnji zemeljski detektorji ne morejo zaznati gravitacijskih valov iz vseh vrst teles v medsebojni orbiti. Telesa morajo biti masivna, kompaktna in, kar je bistveno, dovolj hitro krožiti drug okoli drugega. Za telesa, ki krožijo med seboj manj kot nekajkrat na sekundo (zelo hitro, če govorimo o astronomskih telesih!), bo frekvenca nastalega gravitacijskega vala prenizka, da bi zemeljski detektorji lahko zanesljivo merili. V nizkofrekvenčnem režimu, pod 10–100 Hertz, prevladujejo motnje, ki jih povzročajo valovita gibanja zemeljskega površja (»seizmični šum«), ki zadušijo majhne učinke gravitacijskih valov.
Ko gre za gravitacijske valove iz supermasivnih črnih lukenj ali iz belih palčkov, bomo morali počakati na prihodnje vesoljske detektorje gravitacijskih valov.
Najbolj obetavni viri gravitacijskih valov 'čivkajo'
Ko orbitalni sistem oddaja gravitacijske valove, se orbitalno gibanje pospeši. In ko se orbitalno gibanje pospeši, sistem odda še več energije v obliki gravitacijskega vala. Ta pobegni proces se konča šele, ko se orbitalna telesa trčijo in združijo.
Končno fazo zaznamuje hitro povečanje orbitalne hitrosti, ki ustreza vedno višji frekvenci gravitacijskega valovanja in vedno večji intenzivnosti. Takole izgleda tak signal (slika in zvok iz 'Čvrteče nevtronske zvezde' naEinstein na spletu):
Vidite lahko, kako se frekvenca in intenzivnost povečata vse do časa 0, ko se nevtronski zvezdi trčita in združita.
Za zvezdne črne luknje (z masami od nekaj do nekaj deset sončnih mas) in nevtronske zvezde so v kateri koli kombinaciji frekvence teh gravitacijskih valov enake frekvencam zvočnih valov. Te spremembe frekvence lahko dejansko predstavimo kot zvočni ton, kot v tem primeru združitve dveh nevtronskih zvezd (Avdio © B. Owen, Penn State University):
Tukaj je enaka zvočna predstavitev za združitev črne luknje in nevtronske zvezde (© AEI/GEO600):
Na žalost detektor gravitacijskih valov zazna kombinacijo tega zvoka in raznovrstnega hrupa, ki zveni takole (© AEI/GEO600):
Kolegi z univerze Cardiff so to naredili v lepo spletno igro: Lovec na črne luknje . Pojdite tja in poglejte, ali slišite signal pod hrupom!
(In v živo lahko slišite žvrgolenje različnih astrofizikov (in drugih) pod hashtagom #chirpForLIGO na Twitterju.)
Ta vrsta signala iz združevanja zvezdnih črnih lukenj ali nevtronskih zvezd (v kakršni koli kombinaciji) je najbolj obetaven kandidatni signal za današnje detektorje – in glede na govorice, se zdi, da je LIGO našel to.
Zadnji del signala je zanimiv iz posebnega razloga: ne izhaja iz nobene preproste formule in ga je mogoče modelirati le s kompleksnimi računalniškimi simulacijami takšnih situacij, znanih kot numerična relativnost. Če detektorji dobro zaznajo ta zadnji del, bo to dober test za trenutne numerične simulacije splošne relativnosti!
Drugi viri gravitacijskih valov
Cvrčanje je razmeroma preprosto in verjetno je prvi znak, ki ga je mogoče najti.
Druga vrsta signala, ki bi ga lahko našli, je periodičen (ali skoraj tako) in bi se proizvajal npr. če so hitro vrteče se nevtronske zvezde manj kot popolnoma gladke. Vendar zaenkrat še ni take sreče.
Sledijo viri gravitacijskih valov, ki so nekoliko manj razumljeni, kot so procesi v notranjosti eksplozij supernov. In končno, ko so bili zaznani številni signali, ki kažejo znanstvenikom, da njihovi detektorji res delujejo, kot bi morali, lahko pride do zaznavanja popolnoma nepričakovanih signalov. Kadar koli so astronomi odprli novo okno v vesolje – radijsko okno, infrardečo okno, rentgensko okno – so našli nekaj novega in nepričakovanega. Kdo lahko pove, kaj nas bo odpiranje Einsteinovega okna, okna gravitacijskih valov, naučilo o vesolju?
Nadgradnja: Odkriti gravitacijski valovi
