Očakáva sa, že prvú priamu detekciu gravitačných vĺn oznámia vedci 11. marca v laboratóriu Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Vedci pomocou dvoch veľkých detektorov LIGO - jedného v Livingstone, Louisiane a druhého v Hanforde vo Washingtone - zmerali vlnky v časoprostore, ktoré sú generované zrážkou dvoch čiernych dier a zdá sa, že konečne našli to, čo hľadali.
Takéto vyhlásenie by potvrdilo gravitačné vlny predpovedané Albertom Einsteinom, ktoré sa stal súčasťou jeho všeobecnej teórie relativity pred 100 rokmi, ale dôsledky tam nekončia. Ako vibrácia látky časopriestoru sa gravitačné vlny často porovnávajú so zvukom, dokonca sa transformujú na zvukové stopy. Gravitačné vlnové ďalekohľady by vedcom umožnili „počuť“javy rovnakým spôsobom, ako ich „vidia“svetelné teleskopy.
Keď LIGO začiatkom 90. rokov bojovalo o financovanie od vlády USA, astronómovia boli jeho hlavnými uchádzačmi o kongresové vypočutia. „Vtedy sa myslelo, že LIGO nemá nič spoločné s astronómiou,“hovorí Clifford Will, teoretik všeobecnej relativity na Floridskej univerzite v Gainesville a jeden z prvých zástancov LIGO. Od tej doby sa však veľa zmenilo.
Vitajte v oblasti gravitačnej vlny astronómie. Poďme sa pozrieť na problémy a javy, ktoré mohla odhaliť.
Skutočne existujú čierne diery?
Signál očakávaný od oznámenia LIGO mohol byť vydaný dvoma zlúčenými čiernymi dierami. Takéto udalosti sú najenergickejšie známe; sila gravitačných vĺn, ktoré vydávajú, môže celkom krátkodobo zatmiť všetky hviezdy pozorovaného vesmíru. Zlúčenie čiernych dier je tiež veľmi ľahké interpretovať z veľmi čistých gravitačných vĺn.
Propagačné video:
Signál očakávaný od oznámenia LIGO mohol byť vydaný dvoma zlúčenými čiernymi dierami. Takéto udalosti sú najenergickejšie známe; sila gravitačných vĺn, ktoré vydávajú, môže celkom krátkodobo zatmiť všetky hviezdy pozorovaného vesmíru. Zlúčenie čiernych dier je tiež veľmi ľahké interpretovať z veľmi čistých gravitačných vĺn.
Zlúčenie čiernych dier sa vyskytuje, keď sa okolo seba špirály spájajú dve čierne diery, ktoré emitujú energiu vo forme gravitačných vĺn. Tieto vlny majú charakteristický zvuk (cvrlikanie), ktorý sa dá použiť na meranie hmotnosti týchto dvoch objektov. Potom sa čierne diery zvyčajne spoja.
„Predstavte si dve mydlové bubliny, ktoré sú dosť blízko na to, aby vytvorili jednu bublinu. Väčšia bublina je zdeformovaná, “hovorí Tybalt Damour, gravitačný teoretik na Inštitúte pre pokročilý vedecký výskum v Paríži. Konečná čierna diera bude dokonale sférická, ale musí najprv vyžarovať gravitačné vlny predvídateľného typu.
Jedným z najdôležitejších vedeckých dôsledkov objavovania fúzií čiernych dier bude potvrdenie existencie čiernych dier - prinajmenšom dokonale kruhových objektov zložených z čistého, prázdneho, zakriveného priestoročasu, ako to predpovedá všeobecná relativita. Ďalším dôsledkom je to, že zlúčenie pokračuje podľa predpokladov vedcov. Astronómovia majú mnoho nepriamych potvrdení tohto fenoménu, doteraz to však boli pozorovania hviezd a prehriateho plynu na obežnej dráhe čiernych dier, a nie samotné čierne diery.
„Vedecká komunita, vrátane mňa, nemá rada čierne diery. Berieme ich ako samozrejmosť, “hovorí Frans Pretorius, špecialista na simulácie všeobecnej relativity na Princetonskej univerzite v New Jersey. „Ale ak uvažujete o tom, aká je to úžasná predpoveď, potrebujeme skutočne úžasný dôkaz.“
Pohybujú sa gravitačné vlny rýchlosťou svetla?
Keď vedci začínajú porovnávať pozorovania LIGO s pozorovaniami iných ďalekohľadov, prvú vec, ktorú skontrolujú, je, či signál prišiel súčasne. Fyzici sa domnievajú, že gravitácia je prenášaná gravitačnými časticami, gravitačným analógom fotónov. Ak tieto častice, podobne ako fotóny, nemajú hmotnosť, potom sa gravitačné vlny budú pohybovať rýchlosťou svetla, čo je v súlade s predpoveďou rýchlosti gravitačných vĺn v klasickej relativite. (Ich rýchlosť môže byť ovplyvnená zrýchľujúcim sa rozširovaním vesmíru, ale to by sa malo prejavovať na vzdialenosti výrazne presahujúce vzdialenosti, na ktoré sa vzťahuje LIGO).
Je však celkom možné, že gravitóny majú malú hmotnosť, čo znamená, že gravitačné vlny sa budú pohybovať rýchlosťou menšou ako svetlo. Napríklad, ak LIGO a Panna zistia gravitačné vlny a zistia, že vlny dorazili na Zem neskôr, ako sa spája s kozmickou udalosťou gama lúčov, mohlo by to mať osudové následky pre základnú fyziku.
Je časopriestor vyrobený z kozmických strún?
Ak sa zistia výbuchy gravitačných vĺn vychádzajúce z „kozmických strún“, môže dôjsť k ešte cudziemu objavu. Tieto hypotetické chyby časopriestoru, ktoré môžu alebo nemusia súvisieť s teóriami strún, by mali byť nekonečne tenké, ale natiahnuté na kozmické vzdialenosti. Vedci predpovedajú, že kozmické struny, ak existujú, sa môžu náhodne ohnúť; ak sa šnúra ohne, spôsobí to gravitačné vlnenie, ktoré by mohli zmerať detektory ako LIGO alebo Panna.
Môžu byť neutrónové hviezdy zubaté?
Neutrónové hviezdy sú zvyšky veľkých hviezd, ktoré sa zrútili pod vlastnou hmotnosťou a stali sa tak hustými, že sa elektróny a protóny začali topiť do neutrónov. Vedci majú len málo vedomostí o fyzike neutrónových dier, ale gravitačné vlny o nich mohli veľa povedať. Napríklad intenzívna gravitácia na ich povrchu spôsobuje, že neutrónové hviezdy sa stávajú takmer dokonale sférickými. Niektorí vedci však navrhli, že môžu mať aj „hory“- vysoké niekoľko milimetrov - ktoré spôsobujú, že tieto husté objekty, s priemerom nie väčším ako 10 kilometrov, sú mierne asymetrické. Neutrónové hviezdy majú tendenciu točiť sa veľmi rýchlo, takže asymetrické rozloženie hmoty bude deformovať časopriestor a produkovať konštantný sínusoidálny signál gravitačnej vlny, spomaľujúci rotáciu hviezdy a vyžarujúcu energiu.
Konštantný signál produkujú aj páry neutrónových hviezd, ktoré sa otáčajú okolo seba. Rovnako ako čierne diery, aj tieto hviezdy sa špirálovito spájajú do výrazného zvuku. Jeho špecifickosť sa však líši od špecifickosti zvuku čiernych dier.
Prečo hviezdy explodujú?
Čierne diery a neutrónové hviezdy sa tvoria, keď masívne hviezdy prestanú svietiť a padajú do seba. Astrofyzici sa domnievajú, že tento proces je jadrom všetkých bežných typov výbuchov supernovy typu II. Simulácie takýchto supernov zatiaľ nepreukázali, prečo sa vznietia, ale počúvanie nárazov gravitačných vĺn emitovaných skutočnou supernovou sa považuje za odpoveď. V závislosti od toho, ako burstové vlny vyzerajú, ako sú hlučné, ako často sa vyskytujú a ako korelujú so supernovými sledovanými elektromagnetickými teleskopmi, tieto údaje môžu pomôcť vylúčiť veľa existujúcich modelov.
Ako rýchlo sa vesmír rozširuje?
Rozšírenie vesmíru znamená, že vzdialené objekty, ktoré sa vzdialia od našej galaxie, sa javia červenšie, než v skutočnosti sú, pretože svetlo, ktoré emitujú, sa pri pohybe rozpína. Kozmológovia odhadujú mieru expanzie vesmíru porovnaním červeného posunu galaxií s tým, ako ďaleko sú od nás. Táto vzdialenosť sa obyčajne odhaduje na základe jasu supernovy typu Ia a táto technika zanecháva veľa neistôt.
Ak niekoľko detektorov gravitačnej vlny na celom svete detekuje signály zo zlúčenia rovnakých neutrónových hviezd, môžu spolu úplne presne odhadnúť hlasitosť signálu, ako aj vzdialenosť, v ktorej došlo k zlúčeniu. Budú tiež schopní posúdiť smer as ním identifikovať galaxiu, v ktorej k udalosti došlo. Porovnaním červeného posunu tejto galaxie so vzdialenosťou od zlučujúcich sa hviezd možno získať nezávislú rýchlosť kozmickej expanzie, pravdepodobne presnejšiu, ako to súčasné metódy umožňujú.