Gravitacinės bangos

Gravitacinės bangos

Erdvėlaikio „raibuliai“, kylantys masyviems objektams intensyviai greitėjant, pvz., susiliejant juodosioms skylėms ar neutroninėms žvaigždėms

Naujas kosminis pasiuntinys

Gravitacinės bangos – tai paties erdvėlaikio deformacijos, sklindančios šviesos greičiu. Jos pirmąkart nuspėtos Alberto Einšteino 1916 m., remiantis bendrojo reliatyvumo lygčių sprendiniais, kai masės–energijos pasiskirstymas netolygiai greitėja. Dešimtmečius šios bangos atrodė pernelyg silpnos, kad žmonija galėtų jas užfiksuoti. Viskas pasikeitė 2015 m., kai Lazerinio interferometro gravitacinių bangų observatorija (LIGO) pirmąkart tiesiogiai aptiko gravitacines bangas, sklindančias nuo susiliejusių juodųjų skylių. Šis laimėjimas vadinamas vienu didžiausių šiuolaikinės astrofizikos pasiekimų.

Skirtingai nei elektromagnetinis spinduliavimas, kurį gali sugerti ar išsklaidyti materija, gravitacinės bangos beveik netrukdomai keliauja per medžiagą. Jos nešališkai perduoda informaciją apie pačius smarkiausius kosminius įvykius – juodųjų skylių susidūrimus, neutroninių žvaigždžių susijungimus, galbūt net supernovų kolapsus, papildydamos tradicinės astronomijos stebėjimų arsenalą. Iš esmės gravitacinių bangų detektoriai veikia tarsi „klausa“, jautri erdvėlaikio virpesiams, atskleidžianti reiškinius, nematomus įprastiems teleskopams.

2. Teoriniai pagrindai

2.1 Einšteino lygtys ir nedidelės perturbacijos

Bendrasis reliatyvumas remiasi Einšteino lauko lygtimis, siejančiomis erdvėlaikio geometriją gμν su streso–energijos tenzoriumi Tμν. Tolokai nuo masyvių kūnų (vakuume) galioja Rμν = 0, taigi erdvėlaikis lokaliai plokščias. Bet, traktuojant erdvėlaikį beveik plokščią su nedidelėmis perturbacijomis, gaunamos banginės lygtys:

gμν = ημν + hμν,

čia ημν – Minkowskio metrika, o hμν ≪ 1 – menkos pataisos. Linijinis Einšteino lygčių sprendinys rodo, kad hμν sklis šviesos greičiu – tai ir yra gravitacinės bangos.

2.2 Poliarizacijos: h+ ir h×

Pagal bendrąjį reliatyvumą, gravitacinės bangos turi du skersinius poliarizacijos būdus, žymimus „+“ ir „ד. Joms praeinant pro stebėtoją, periodiškai ištempiami ir suspaudžiami atstumai statmenomis kryptimis. Palyginimui, elektromagnetinės bangos turi skersines elektros ir magnetines oscillacijas, bet kitokią sukimąsi (spin-2 gravitacinėms bangoms vs. spin-1 fotonams).

2.3 Energijos išspinduliavimas dvejetuose

Einšteino kvadrupolio formulė rodo, kad galia (energija per laiką), sklindanti gravitacinių bangų pavidalu, priklauso nuo masės pasiskirstymo kvadrupolinio momento trečiosios laiko išvestinės. Sferiškai simetriškas ar dipolinis judėjimas gravitacinių bangų negamina, tad dvejetų atvejais, kur masyvūs kompaktiški objektai (juodosios skylės, neutroninės žvaigždės) sukasi vienas aplink kitą, kintantis kvadrupolis sukelia reikšmingą GW skleidimą. Energija „nuteka“ iš sistemos, orbitos susitraukia iki galutinio susiliejimo, išspinduliuojant galingą gravitacinę bangą, kurią galima aptikti net iš šimtų megaparsekų.

3. Netiesioginiai įrodymai iki 2015 m.

3.1 Dvejetinis pulsaras PSR B1913+16

Gerokai prieš tiesioginį aptikimą Russellas Hulse’as ir Josephas Tayloras 1974 m. rado pirmąjį dvejetinį pulsarą. Stebėtas jo orbitos trumpėjimas atitiko energijos praradimą dėl gravitacinių bangų, pagal bendrojo reliatyvumo prognozes, su itin didele tikslumo riba (~0,2 % paklaida). Tai buvo netiesioginis patvirtinimas, kad GW realiai atima orbitinę energiją [1].

3.2 Kiti dvejetiniai pulsarai

Kitos sistemos (pvz., „dvigubas pulsaras“ J0737–3039) dar labiau patvirtino orbitos nykimą. Šių stebėjimų sutapimas su GR kvadrupolio formuluote tikino, kad gravitacinės bangos egzistuoja, nors nebuvo jų tiesiogiai užfiksuota.

4. Tiesioginis aptikimas: LIGO, Virgo ir KAGRA

4.1 LIGO laimėjimas (2015 m.)

Po dešimtmečių vystymo Advanced LIGO interferometrai Vašingtono (Hanford) ir Luizianos (Livingston) valstijose užfiksavo pirmą tiesioginę gravitacinę bangą 2015 m. rugsėjo 14 d. (paskelbta 2016 m. vasarį). Bangos signalas, pavadintas GW150914, kilo iš susijungiančių ~36 ir ~29 Saulės masių juodųjų skylių už ~1,3 mlrd. šviesmečių. Orbitoje „besisukdamos“, jos skleidė bangos amplitudės ir dažnio „čirptą“, vainikuojamą galutiniu susiliejimu [2].

Šis aptikimas patvirtino:

  • Egzistuoja juodųjų skylių dvejetai lokalinėje Visatoje.
  • Bangos forma sutampa su skaitiniais reliatyvumo modeliais.
  • Juodųjų skylių sukimasis ir galutinė masė atitinka teoriją.
  • GR galiojimą itin stipraus lauko režime.

4.2 Kiti detektoriai: Virgo, KAGRA, GEO600

Virgo (Italijoje) 2017 m. visiškai prisijungė prie pastebėjimų. Tų pačių metų rugpjūtį trigubas aptikimas GW170814 iš kito BH-BH susijungimo leido geriau lokalizuoti įvykį danguje ir tikrinti poliarizacijas. KAGRA (Japonijoje), įrengta požemyje bei naudojanti kriogeninius veidrodžius, siekia sumažinti triukšmus, taip papildydama pasaulinį tinklą. Keli detektoriai skirtingose vietose gerokai patikslina dangaus šaltinio nustatymą ir pagerina galimą elektromagnetinę paiešką.

4.3 BNS susiliejimas: daugiasignalė astronomija

2017 m. rugpjūtį stebėtas GW170817 iš dviejų neutroninių žvaigždžių susijungimo LIGO–Virgo davė ir gama spindulių pliūpsnį ~1,7 s vėliau, taip pat kilonovos regimuosius/IR posvyčius. Tai pirmasis daugiasignalis stebėjimas, identifikavęs pradinę galaktiką (NGC 4993), parodęs, kad susiliejimai gamina sunkiuosius (r-proceso) elementus ir dar labiau patvirtinęs, kad gravitacinės bangos keliauja artimu šviesos greičiui. Tai atvėrė naują astrofizikos erą, derinant gravitacinius duomenis su elektromagnetiniais stebėjimais.

5. Reiškiniai ir pasekmės

5.1 Juodųjų skylių susiliejimai

Juodųjų skylių susiliejimai (BBH) dažnai neskleidžia šviesos, jei nėra dujų, bet gravitacinis signalas pats atskleidžia mases, sukinius, atstumą ir galutinę žiedo fazę. Dešimtys atrastų BBH įvykių rodo masių pasiskirstymą (~5–80 Saulės masių), sukinius ir orbitos suartėjimo greitį. Tai ženkliai praplėtė juodųjų skylių populiacijų pažinimą.

5.2 Neutroninių žvaigždžių susidūrimai

Neutroninių žvaigždžių (BNS) ar BH–NS susidūrimai gali sukelti trumpus gama pliūpsnius, kilonovas, neutrinų emisiją, padidindami žinias apie branduolinę materiją labai didelio tankio sąlygomis. Kilmė tokia, kad suartėjimas lemia r-proceso sunkiųjų elementų gamybą. Gravitacinės bangos plius elektromagnetinis signalas suteikia vertingų duomenų apie nukleosintezę.

5.3 Bendrojo reliatyvumo tikrinimas

Gravitacinių bangų forma leidžia tikrinti bendrąjį reliatyvumą stipraus lauko sąlygomis. Iki šiol stebėjimai nerodo jokių nukrypimų nuo GR – nei dipolinės spinduliuotės, nei masinio gravitono pėdsakų. Tikimasi, kad aukštesnio tikslumo duomenys ateityje leis aptikti subtilių pataisų ar patvirtinti naujus reiškinius. Papildomai, žiedėjimo dažniai po BH susiliejimo tikrina „beplaukę BH“ teoremą (apibūdinamą vien mase, sukiniu, krūviu).

6. Ateities gravitacinių bangų astronomija

6.1 Nuolat tobulinami antžeminiai detektoriai

LIGO ir Virgo, taip pat KAGRA, gerindami jautrumą, – Advanced LIGO ketinama priartinti iki ~4×10-24 deformacijos ties 100 Hz. GEO600 padeda R&D. Sekančios stebėjimų kampanijos (O4, O5) gali aptikti šimtus BH–BH susiliejimų per metus bei keliolika NS–NS susijungimų, suformuodamos „katalogą“, iš kurio išaiškės susijungimų dažnis, masės pasiskirstymas, sukiniai ir galbūt netikėtų reiškinių.

6.2 Kosminiai interferometrai: LISA

LISA (Laser Interferometer Space Antenna), planuojama ESA/NASA (~2030-aisiais), turėtų aptikti žemesnio dažnio (mHz) bangas iš supermasyvių juodųjų skylių dvejetų, ekstremaliai nevienodo masės santykio suartėjimų (EMRI) ir galbūt kosminių stygų ar infliacijos pėdsakų. LISA 2,5 mln. km rankų ilgis kosmose leis stebėti šaltinius, kurie žemės detektoriams (didesnio dažnio) nepasiekiami, taip papildant dabartinius LIGO/virgo diapazonus.

6.3 Pulsarų laiko matavimų masyvai

Nanohertzinį dažnį tiria pulsarų laiko matavimų masyvai (PTA) – NANOGrav, EPTA, IPTA, matuodami subtilius pulsarų atvykimo laiko koreliacijų nukrypimus. Jie siekia aptikti stochastinį foną, kylantį iš supermasyvių juodųjų skylių dvejetų branduoliuose. Pirmi galimi signalai galbūt jau kyla, laukiama tvirtesnių patvirtinimų. Sėkmė išbaigtų gravitacinių bangų spektro dengimą nuo ~kHz iki nanohercų.

7. Platesnė reikšmė astrofizikoje ir kosmologijoje

7.1 Kompaktinių dvejetų formavimas

Gravitacinių bangų stebėjimų katalogas rodo, kaip susidaro juodųjų skylių ar neutroninių žvaigždžių dvejetai: kaip žvaigždžių evoliucijos keliai lemia masių, sukinių pasiskirstymą, ar jie priklauso dvinariams, kaip įtakoja cheminė sudėtis. Šie duomenys papildo elektromagnetinę stebėseną, leisdami tobulinti žvaigždžių populiacijos modelius.

7.2 Pagrindinės fizikos tyrimas

Be to, kad tikrinama bendroji reliatyvumo teorija, gravitacinės bangos gali iškelti apribojimų kitoms teorijoms (pvz., jei gravitonas turėtų masę, egzistuotų papildomos dimensijos). Taip pat jos leidžia „kalibruoti“ kosminį atstumų mastelį (standartinės sirenos), jei žinome šaltinio raudonąjį poslinkį – tai nepriklausomas būdas matuoti Hablo konstantą, galbūt padedantis spręsti dabar susidariusią Hablo įtampos problemą.

7.3 Daugiasignaliniai tyrimai

Neutroninių žvaigždžių susijungimai (pvz., GW170817) suvienija gravitacinių bangų ir elektromagnetinius duomenis. Ateityje bus galima detektuoti neutrinus, jei branduolinės kolapsų, BH–NS susijungimai juos skleidžia. Toks daugiasignalis metodas suteikia nepaprastų žinių apie sprogstamus reiškinius, branduolinę fiziką, r-proceso elementų susidarymą, BH susidarymą. Tai panašu į SN 1987A neutrininę pamoką, bet dabar daug aukštesniu lygiu.

8. Egzotiniai scenarijai ir ateities galimybės

8.1 Pirminės juodosios skylės ir ankstyvoji Visata

Gravitacinės bangos iš ankstyvojo laikotarpio galėtų kilti iš pirminių juodųjų skylių susijungimų, kosminės infliacijos ar fazinių perėjimų mikrosekundžių epochose. Būsimi detektoriai (LISA, naujos kartos žemės interferometrai, KMF poliarizacijos matavimai) gali pastebėti šiuos archaiškus pėdsakus, praskleidžiant ankstyvąją Visatos prigimtį.

8.2 Egzotiniai objektai ar tamsioji sąveika

Jei egzistuoja egzotiniai objektai (pvz., bozonų žvaigždės, gravastarai) ar nauji fundamentalūs laukai, jų susijungimų bangų forma gali skirtis nuo juodųjų skylių. Tai leistų pajusti fiziką, peržengiančią bendrąjį reliatyvumą ar nurodančią nežinomą sąveiką su „tamsiu sektoriumi“. Kol kas anomalijų nerasta, bet jautrumui augant galime aptikti netikėtų reiškinių.

8.3 Galimos staigmenos

Istoriškai kiekvienas naujas kosminio stebėjimo „langas“ parodė netikėtus, nenumatytus reiškinius – radijo, rentgeno, gama astronomija taip praplėtė mūsų akiratį. Gravitacinių bangų astronomija gali atverti kol kas neįsivaizduotus atradimus: nuo kosminių stygų pliūpsnių iki dar nepažintų kompaktiškų susiliejimų ar spin-2 laukų pavyzdžių.

9. Išvada

Gravitacinės bangos, buvusios tik teorinis Einšteino reliatyvumo niuansas, tapo itin svarbiu būdu tiesiogiai tirti energingiausius ir paslaptingiausius kosmoso įvykius. 2015 m. LIGO atradimas patvirtino šimtmečio senumo prognozę, pradėdamas gravitacinių bangų astronomijos amžių. Vėlesni juodųjų skylių ir neutroninių žvaigždžių susijungimų aptikimai įtvirtino reliatyvumo dėsnius ir atskleidė kosminę kompaktiškų dvejetų įvairovę, nepasiekiamą vien elektromagnetiniais stebėjimais.

Šis naujas kosminis informacijos šaltinis lemia:

  • Kruopščias GR tikrinimo galimybes stipriame lauke.
  • Geresnį supratimą apie žvaigždžių evoliuciją, vedančią prie juodųjų skylių ar neutroninių žvaigždžių susijungimų.
  • Daugiasignalio sinergijos atvėrimą su elektromagnetiniais duomenimis, plečiant astrofizikos suvokimą.
  • Potencialius kosmologinius (Hablo konstantos) matavimus ir egzotinės fizikos testus (pvz., masyvaus gravitono).

Žvelgiant į ateitį, patobulinti antžeminiai interferometrai, kosminės misijos kaip LISA ir pulsarų laiko masyvai išplės mūsų klausymo galimybes tiek dažnio, tiek nuotolio prasmėmis, užtikrindami, kad gravitacinių bangų tyrimai išliks viena gyvybingiausių šiuolaikinės astrofizikos sričių. Viltis aptikti visiškai naujus reiškinius, patikrinti esamus modelius ar net atskleisti fundamentines erdvėlaikio ypatybes garantuoja, kad gravitacinių bangų fizika dar ilgai trauks mokslininkų dėmesį.

Nuorodos ir tolesnis skaitymas

  1. Hulse, R. A., & Taylor, J. H. (1975). “Discovery of a pulsar in a binary system.” The Astrophysical Journal Letters, 195, L51–L53.
  2. Abbott, B. P., et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) (2016). “Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger.” Physical Review Letters, 116, 061102.
  3. Abbott, B. P., et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) (2017). “GW170817: Observation of Gravitational Waves from a Binary Neutron Star Inspiral.” Physical Review Letters, 119, 161101.
  4. Maggiore, M. (2008). Gravitational Waves, Volume 1: Theory and Experiments. Oxford University Press.
  5. Sathyaprakash, B. S., & Schutz, B. F. (2009). “Physics, Astrophysics and Cosmology with Gravitational Waves.” Living Reviews in Relativity, 12, 2.
Grįžti į tinklaraštį