Mūsų mailing list’e neseniai kilo klausimų apie tai, ką gi reiškia gravitacinių bangų atradimas, kas iš to ir ar tuoj nebeliks atvirų klausimų fizikoje. Žemiau – opit atsakymas, kurį įmetam čia, kad nepasimestų.

——–

Gravitacinės bangos (nepainiokim su ’gravity waves’) yra erdvėlaikio kreivumo netolygumai, kuriuos sukelia su pagreičiu nesimetriškai judantys ar nesimetriški masę turintys objektai. Tai viena iš bendrosios reliatyvumo teorijos teorinių išdavų (šalia orbitų perihelio precesijos, gravitacinio šviesos raudonojo poslinkio, šviesos užlinkimo už masyvių objektų etc.), numatyta Einšteino 1916 m. Gravitacinės bangos sklinda erdvėlaikiu šviesos greičiu – dažnai naudojama vizualinė analogija yra įmestas į tvenkinį akmuo, nuo kurio tolyn pasklinda ratilai. Tik gravitacinės bangos sklinda ne kažkokia terpe, kaip bangos vandenyje o yra paties erdvėlaikio kreivumo (t.y., metrikos) raibuliai.

Trimatėje erdvėje _labai_ smarkiai padidintą gravitacinių bangų poveikį paprasčiausiu atveju galima  vizualizuoti taip:


Viena kryptimi erdvė yra ‘suspaudžiama’, kita – 'ištempiama’. Šis pokytis realiai yra labai labai mažas, nes gravitacija – labai silpna sąveika (pavyzdžiui, čia aprašymas, kas būtų, jei tavo erdvėlaivis būtų šalia dviejų besijungiančių juodųjų skylių). Tačiau LIGO, dvi observatorijos, kurios gravitacines bangs užfiksavo, turi dvejas statmenas lazerinio interferometro 'rankas’, t.y. 2 keturių km ilgio betono tunelius, kuriuose kabo veidrodžiai ir šviečia lazeriai. Interferometrija leidžia išmatuoti viename vamzdyje atspindėtos lazerio šviesos _fazės_ poslinkį, palyginti jį su kitos, ir, jei stebimas šviesos kelio ilgio pokytis, galima daryti prielaidą, kad kažkuria kryptimi praėjo gravitacinė banga ir dėl to šviesa atkeliavo greičiau arba lėčiau. Šviesos kelio pokytis, kurį gali užfiksuoti LIGO – apie 10^-23, t.y. protono dydžio dalys. Be abejo, pravažiuojanti už kilometro fūra, praeinantis laborantas, žaibas Afrikoje sukelia daug didesnius lazerių/veidrodžių virpesius – todėl abi observatorijos pastatytos kelių šimtų kilometrų atstumu, kad būtų galima palyginti signalus ir nufiltruoti vietinį triukšmą, veidrodžiai yra kone tiksliausi pasaulyje, o superkompiuteriai dirba su terabaitais duomenų ir gudriais algoritmais. Čia neblogas straipsnis apie LIGO ir patį atradimą.

Skirtingi įvykiai sąlygoja skirtingą skleidžiamų gravitacinių bangų signalo formą ir dažnius:

(Šaltinis: https://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational-wave_observatory)

Pavyzdžiui, susiliejančios juodosios skylės/neutroninės žvaigždės ('compact binary mergers’) turi charakteringą 'čirpą’ – aukštėjančio dažnio signalą, kuris pasiekia maksimumą prieš pat susijungiant juodosioms skylėms, kai jos sukasi viena aplink kitą reliatyvistiniais greičiais, o paskui staigiai nurimsta, kai jos susilieja į vieną ir įgyja sferinę formą (žr. simuliaciją čia). Kiti astrofizikiniai katastrofiški įvykiai turi kitokias signalo formas – tarkime, supernovos sprogimas yra toks pyptelėjimas, besisukanti asimetriška neutroninė žvaigždė skleidžia pastovų signalą, kosmologinės infliacijos periodo Visatos pradžioje metu atsiradusios gravitacinės bangos turėtų palikti tam tikrą signalą kosminio mikrobangų fono poliarizacijoje. Beje, prieš porą metų ir buvo galvota, kad BICEP 2 teleskopas Antarktidoje užfiksavo šį infliacijos atspaudą – tačiau po daug fanfarų paaiškėjo, kad tai, ko gero, tiesiog dulkių mūsų galaktikoje sąlygojamas triukšmas.

LIGO, tuo tarpu, šį rugsėjį užfiksavo dviejų susijungusių ~30 Saulės masių juodųjų skylių išspinduliuotas gravitacines bangas. Kadangi tokių signalų dažnis atitinka tą, kurį girdi žmogaus klausa, galima ir paklausyti gravitacinių bangų signalo garsinio atitikmens (mano naujas ringtone'as):

  Čia – pats grafikas iš straipsnio apie atradimą, rodantis abiejų detektorių Vašingtone ir Luizianoje užfiksuotą bei nuo triukšmo atskirtus signalus bei teorinį reliatyvumo teorijos modelį:

Mokslininkai iš pradžių buvo gana nustebę ir galvojo, kad tai kažkieno piktas bajeris, nes signalo forma per graži ir per daug atitinka tai, ko jie tikėjosi. Tačiau jau girdėjau pletkų, kad užfiksuoti bent 7 panašūs, tačiau silpnesni gravitacinių bangų signalai.

Ką tai reiškia:

Viena vertus, tai vienas iš paskutinių iki šiol neatliktų bendrosios reliatyvumo teorijos testų – gravitacinių bangų atradimas patvirtina, kad turima gravitacijos teorija teisinga. Ką smagu žinoti. Kita vertus, šitas atradimas atveria visiškai naują astrofizikinių stebėjimų sritį – gravitacinių bangų astronomiją (šalia EM spektro (optinių, Rentgeno, mikrobangų, gama, radijo spindulių), neutrinų astronomijos, kosminių spindulių detektorių ir t.t.). Gravitacinės bangos sklinda kiaurai per medžiagą, taip pat jas galima stebėti netgi tada, kai negalėtume matyti jas sukeliančių įvykių, nes jie per toli ar išvis negali būti matomi tiesiogiai (kaip, tarkime, šios juodosios skylės už 410 Mpc, iš kurių šviesa pagal apibrėžimą negali ištrūkti). Gravitacinių bangų stebėjimai gali leisti aptikti labai šiuo metu ieškomas vidutinių masių juodąsias skyles, patikslinti žvaigždžių evoliucijos bei kosminės infliacijos modelius, padės sukurti kvantinę fiziką ir gravitaciją suvienijančią teoriją. Netgi šiomis dienomis pasirodė pranešimų, kad LIGO užfiksuotas gravitacinių bangų signalas gali būti susijęs su beveik tuo pačiu metu užfiksuotu gama spindulių žybsniu – tai sena mįslė, nežinomos kilmės energingiausi EM bangų žybsniai Visatoje, atrasti karinių palydovų 7 dešimtmetyje.

Daug kas klausia 'o kas man iš to?’.

Viena vertus, fundamentiniai tyrimai visada duoda labai daug šalutinės naudos (LIGO/CERN pastūmė precizines technologijas, tokias, kaip veidrodžiai, lazeriai, detektoriai, triukšmo mažinimo sistemos, big data duomenų apdorojimas ir kt. daugeliu metų į priekį). Kita vertus, gravitacinių bangų šaltiniai, tarkime, neutroninės žvaigždės, yra kosminės laboratorijos, kuriose magnetiniai laukai/tankiai/slėgiai/temperatūros yra tokios, kurių negalime sukurti Žemėje ar stebėti kitur Visatoje. Gravitacinių bangų astronomija leis sužinoti daugiau apie fizikos dėsnius ekstremaliomis sąlygomis, kas ilgainiui galėtų būti pritaikoma praktikoje (tarkime, branduolinio jungimosi reaktorių pakūrimui).