Co to są fale grawitacyjne?
Fale grawitacyjne to zmiany pola grawitacyjnego, które się rozchodzą
Spolaryzowana fala grawitacyjna
W ogólnej teorii względności, a także wWiększość innych współczesnych wskazuje, że fale grawitacyjne powstają w wyniku ruchu masywnych ciał ze zmiennym przyspieszeniem. Fale grawitacyjne rozchodzą się swobodnie w przestrzeni z prędkością światła. Są bardzo małe i trudne do zarejestrowania.
Po raz pierwszy odkryto fale grawitacyjnewe wrześniu 2015 r. dwa bliźniacze detektory obserwatorium LIGO, które zarejestrowały fale grawitacyjne prawdopodobnie powstałe w wyniku połączenia dwóch czarnych dziur i powstania jeszcze jednej masywnej rotującej czarnej dziury.
Dowolna gwiazda podwójna, gdy jej elementy się obracająwokół wspólnego środka masy traci energię (jak się przypuszcza - pod wpływem promieniowania fal grawitacyjnych) i ostatecznie łączy się ze sobą. Jednak w przypadku zwykłych, niezwartych gwiazd podwójnych proces ten trwa bardzo długo, znacznie dłużej niż obecny wiek Wszechświata.
Jeśli podwójny system kompaktowy składa się zpary gwiazd neutronowych, czarnych dziur lub ich kombinacji, połączenie może nastąpić za kilka milionów lat. Początkowo obiekty zbliżają się do siebie, a ich okres orbitalny maleje. Następnie, w końcowej fazie, dochodzi do zderzenia i asymetrycznego zapadnięcia grawitacyjnego. Proces ten trwa ułamek sekundy iw tym czasie energia jest uwalniana do promieniowania grawitacyjnego, które według niektórych szacunków stanowi ponad 50% masy układu.
Jak znajdują się fale grawitacyjne?
Wykrycie fal grawitacyjnych jest dość trudne ze względu na ich słabość. Urządzeniami do ich rejestracji są detektory fal grawitacyjnych. Próby wykrycia podejmowane są od końca lat sześćdziesiątych XX wieku.
Fale grawitacyjne o wykrywalnej amplitudzierodzą się podczas zapadnięcia się podwójnego pulsara. Podobne zdarzenia mają miejsce w pobliżu naszej galaktyki mniej więcej raz na dekadę. Najsilniejszym i najczęstszym źródłem fal grawitacyjnych dla teleskopów i anten grawitacyjnych są katastrofy związane z zapadaniem się układów podwójnych w pobliskich galaktykach. Oczekuje się, że w najbliższej przyszłości na ulepszonych detektorach grawitacyjnych będzie rejestrowanych kilka podobnych zdarzeń rocznie, zniekształcając metrykę w pobliżu Ziemi o 10−21—10−23.
Dwa ciała poruszające się po okrągłych orbitach wokół wspólnego środka masy
Nowe sposoby wykrywania fal grawitacyjnych
W 2017 roku naukowcy, którzy przeprowadzili eksperyment podLaser Interferometric Gravitational Wave Observatory (LIGO) zdobyło Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za pierwsze w historii bezpośrednie wykrycie fal grawitacyjnych powstałych w wyniku połączenia dwóch czarnych dziur około 1,3 miliarda lat świetlnych od Ziemi. Fale powstałe w wyniku tego zderzenia naruszyły tło fal grawitacyjnych Wszechświata i dotarły do Ziemi.
Oprócz takich jednorazowych silnych zakłóceń,które astrofizycy nauczyli się już naprawiać, istnieje tak zwane tło fal grawitacyjnych - stały przepływ promieniowania grawitacyjnego, które zgodnie z teorią nieustannie myje Ziemię.
Kolejna okazja do wykrycia tłafal grawitacyjnych wypełniających Wszechświat to bardzo precyzyjne odmierzanie czasu odległych pulsarów - analiza czasu przybycia ich impulsów, które zmieniają się w charakterystyczny sposób pod wpływem fal grawitacyjnych przechodzących przez przestrzeń między Ziemią a pulsarem.
Szacuje się, że od 2013 r. Dokładność pomiaru czasu wynosinależy podnieść o około jeden rząd wielkości, aby móc wykryć fale tła z wielu źródeł w naszym Wszechświecie, a zadanie to będzie można rozwiązać przed końcem dekady. Jednak przejście fali grawitacyjnej powinno nieznacznie, o kilka nanosekund, zmienić czas rejestracji tych rozbłysków. Zatem dokładnie śledząc czas odległych pulsarów, teoretycznie możliwe jest wykrycie tła fal grawitacyjnych galaktyki. Potwierdzają to wstępne wyniki projektu NANOGrav.
Jakie nowe fale grawitacyjne odkryli naukowcy?
Naukowcy twierdzą, że byli w stanie wykryć oznaki stałego promieniowania grawitacyjnego, które przechodzi przez Wszechświat i zniekształca strukturę czasoprzestrzeni.
W naszym zbiorze danych znaleźliśmy silny sygnał. Nie możemy jeszcze powiedzieć, że są to fale grawitacyjne tła, ale nasz cel jest coraz bliżej.
Joseph Simon, astrofizyk i główny autor artykułu
Według autorów żadne inne obserwatoriumsą w stanie wykryć fale grawitacyjne tła, ponieważ koncentrują się na wyszukiwaniu jednorazowych zdarzeń trwających kilka sekund. W ramach eksperymentu naukowcy śledzili 45 pulsarów przez kilka lat - i już znaleźli oznaki niewielkich zmian w ich częstotliwości. Pulsary można porównać do galaktycznych latarni morskich, które są stale w tym samym miejscu.
Szukamy fal, które trwają latami lub dziesięcioleciami.Zgodnie z teorią fuzje galaktyczne i inne zdarzenia kosmologiczne powodują ciągłe wybuchy ogromnych fal grawitacyjnych. Minie wiele lat, a nawet dłużej, zanim jedna taka fala minie Ziemię. Z tego powodu żadne inne istniejące eksperymenty nie mogą ich bezpośrednio wykryć.
Joseph Simon, astrofizyk i główny autor artykułu
Przechodzące fale grawitacji zmieniają sięstabilny wzór światła emanującego z pulsarów, zwiększający lub zmniejszający względne odległości, na jakie promienie te podróżują w przestrzeni. Innymi słowy, naukowcy mogą teoretycznie wykryć tło fal grawitacyjnych, śledząc skorelowane zmiany w czasie przybycia promieniowania pulsara na Ziemię.
Co robią te fale grawitacyjne?
Przechodzące fale grawitacyjne zmieniają sięstabilny wzór światła emanującego z pulsarów, zwiększający lub zawężający względne odległości, jakie te promienie pokonują w przestrzeni. Innymi słowy, naukowcy mogliby teoretycznie wykryć tło fal grawitacyjnych, śledząc skorelowane zmiany w czasach nadejścia promieniowania pulsarowego na Ziemię. To jednak nie wystarczy do ostatecznych wniosków. Dlatego astronomowie ogłosili plany stworzenia IPTA, czyli sieci instrumentów, które umożliwią wykrycie takich odchyleń dla dużej liczby pulsarów.
Wykrywanie tła fali grawitacyjnej będzie możliweduży krok naprzód, ale tylko pierwszy krok. Kolejnym etapem będzie odkrycie ich źródeł, a potem – wszystkiego nowego, co mogą nam powiedzieć o Wszechświecie.
Joseph Simon, astrofizyk i główny autor artykułu
Czytaj więcej
Badania: ludzie nie będą w stanie kontrolować superinteligentnych maszyn AI
Aborcja i nauka: co stanie się z dziećmi, które będą rodzić
Zobacz najpiękniejsze zdjęcia Hubble'a. Co teleskop widział przez 30 lat?