Gravitacinės bangos

Gravitācijas viļņi

Telpas-laika „raibumi“, kas rodas, kad masīvi objekti intensīvi paātrinās, piemēram, saplūstot melnajām caurumiem vai neitronzvaigznēm

Jauns kosmiskais vēstnesis

Gravitācijas viļņi ir pašas telpas-laika deformācijas, kas izplatās ar gaismas ātrumu. Tos pirmoreiz paredzēja Alberts Einšteins 1916. gadā, balstoties uz vispārējās relativitātes vienādojumu risinājumiem, kad masas-enerģijas sadalījums mainās nevienmērīgi. Desmitgadēm šie viļņi šķita pārāk vāji, lai cilvēce tos varētu uztvert. Viss mainījās 2015. gadā, kad Lāzera interferometra gravitācijas viļņu observatorija (LIGO) pirmo reizi tieši atklāja gravitācijas viļņus, kas izplatās no saplūstošām melnajām caurumiem. Šis sasniegums tiek uzskatīts par vienu no lielākajiem mūsdienu astrofizikas sasniegumiem.

Atšķirībā no elektromagnētiskā starojuma, ko var absorbēt vai izkliedēt viela, gravitācijas viļņi gandrīz netraucēti ceļo cauri materiālam. Tie neitrāli nodod informāciju par pašiem spēcīgākajiem kosmiskajiem notikumiem – melnās cauruma sadursmēm, neitronzvaigžņu saplūšanām, iespējams, pat supernovu sabrukumiem, papildinot tradicionālās astronomijas novērojumu arsenālu. Būtībā gravitācijas viļņu detektori darbojas kā „ausis“, jutīgas pret telpas-laika vibrācijām, atklājot parādības, kas nav redzamas parastajiem teleskopiem.

2. Teorētiskie pamati

2.1 Einšteina vienādojumi un nelielas perturbācijas

Vispārējā relativitāte balstās uz Einšteina lauka vienādojumiem, kas saista telpas-laika ģeometriju gμν ar stresa-enerģijas tensoru Tμν. Tālu no masīviem objektiem (vakumā) spēkā ir Rμν = 0, tādējādi telpas-laiks lokāli ir plakans. Tomēr, traktējot telpas-laiku kā gandrīz plakanu ar nelielām perturbācijām, iegūst viļņu vienādojumus:

gμν = ημν + hμν,

šeit ημν – Minkovska metriskā, bet hμν ≪ 1 – nelielas korekcijas. Lineārais Einšteina vienādojumu risinājums rāda, ka hμν izplatīsies ar gaismas ātrumu – tas arī ir gravitācijas vilnis.

2.2 Polarizācija: h+ un h×

Saskaņā ar vispārējo relativitāti, gravitācijas viļņām ir divi šķērseniskās polarizācijas veidi, apzīmēti ar „+“ un „ד. Tām pārejot gar novērotāju, periodiski tiek izstiepti un saspiesti attālumi perpendikulārās virzienos. Salīdzinājumam, elektromagnētiskajiem viļņiem ir šķērseniskas elektriskās un magnētiskās svārstības, bet cita griešanās (spin-2 gravitācijas viļņiem pret spin-1 fotoniem).

2.3 Enerģijas izstarojums dubultos

Einšteina kvadrupola formula rāda, ka jauda (enerģija laika vienībā), kas izplatās gravitācijas viļņu veidā, ir atkarīga no masas sadalījuma kvadrupola momenta trešās laika atvasinājuma. Sfēriski simetrisks vai dipola kustība neveido gravitācijas viļņus, tāpēc dubultu gadījumā, kur masīvi kompakti objekti (melnie caurumi, neitronzvaigznes) griežas viens ap otru, mainīgs kvadrupols izraisa būtisku GW izstarojumu. Enerģija „izplūst“ no sistēmas, orbīta sarūk līdz galīgajai saplūšanai, izstarojot spēcīgu gravitācijas vilni, ko var noķert pat no simtiem megaparseku.

3. Netiešie pierādījumi līdz 2015. gadam

3.1 Dubultais pulsārs PSR B1913+16

Krietni pirms tiešās detektēšanas Russell Hulse un Joseph Taylor 1974. gadā atklāja pirmo dubulto pulsāru. Novērotais tā orbītas saīsinājums atbilda enerģijas zudumam gravitācijas viļņu dēļ, saskaņā ar vispārējās relativitātes prognozēm ar ļoti augstu precizitāti (~0,2% kļūda). Tas bija netiešs apstiprinājums, ka GW patiešām atņem orbītas enerģiju [1].

3.2 Citi dubultie pulsāri

Citas sistēmas (piemēram, „dubultais pulsārs“ J0737–3039) vēl vairāk apstiprināja orbītas sarukumu. Šo novērojumu sakritība ar GR kvadrupola formulu pārliecināja, ka gravitācijas viļņi pastāv, lai gan tie netika tieši noķerti.

4. Tiešā detektēšana: LIGO, Virgo un KAGRA

4.1 LIGO sasniegums (2015. gads)

Pēc desmitgadēm ilgas attīstības Advanced LIGO interferometri Vašingtonas (Hanfordas) un Luiziānas (Livingstonas) štatos noķēra pirmo tiešo gravitācijas vilni 2015. gada 14. septembrī (publicēts 2016. gada februārī). Vilņa signāls, nosaukts GW150914, radās no saplūstošiem aptuveni 36 un 29 Saules masu melnajiem caurumiem aptuveni 1,3 miljardu gaismas gadu attālumā. Orbītā „griežoties“, tie izstarīja viļņa amplitūdas un frekvences „čirpšanu“, noslēdzot ar galīgo saplūšanu [2].

Šis atklājums apstiprināja:

  • Eksistē melno caurumu pāri lokālajā Visumā.
  • Viļņa forma sakrīt ar skaitliskajiem relativitātes modeļiem.
  • Melno caurumu griešanās un galīgā masa atbilst teorijai.
  • GR darbība ļoti stipra lauka režīmā.

4.2 Citi detektori: Virgo, KAGRA, GEO600

Virgo (Itālijā) 2017. gadā pilnībā pievienojās novērojumiem. Tajā pašā gada augustā trīskāršā detektēšana GW170814 no cita BH-BH saplūšanas ļāva labāk lokalizēt notikumu debesīs un pārbaudīt polarizācijas. KAGRA (Japānā), ierīkota pazemē un izmantojot kriogēnos spoguļus, cenšas samazināt traucējumus, tā papildinot globālo tīklu. Vairāki detektori dažādās vietās ievērojami precizē debess avota noteikšanu un uzlabo iespējamo elektromagnētisko meklēšanu.

4.3 BNS saplūšana: daudzsignālu astronomija

2017. gada augustā novērotais GW170817 no divu neitronzvaigžņu saplūšanas LIGO–Virgo deva arī gamma staru uzliesmojumu aptuveni 1,7 s vēlāk, kā arī kilonovas redzamos/IR pārejas. Tā bija pirmā daudzsignālu novērošana, kas identificēja sākotnējo galaktiku (NGC 4993), parādīja, ka saplūšanas rada smagos (r-procesa) elementus un vēl vairāk apstiprināja, ka gravitācijas viļņi ceļo tuvu gaismas ātrumam. Tas atvēra jaunu astrofizikas laikmetu, apvienojot gravitācijas datus ar elektromagnētiskajiem novērojumiem.

5. Fenomeni un sekas

5.1 Melnā cauruma saplūšanas

Melnā cauruma saplūšanas (BBH) bieži nerada gaismu, ja nav gāzu, bet gravitācijas signāls pats atklāj masas, griešanos, attālumu un gala riņķa fāzi. Desmitiem atklāto BBH notikumu rāda masu sadalījumu (~5–80 Saules masu), griešanos un orbītas saplūšanas ātrumu. Tas būtiski paplašināja melno caurumu populāciju izpratni.

5.2 Neitronzvaigžņu sadursmes

Neitronzvaigžņu (BNS) vai BH–NS sadursmes var izraisīt īsus gamma staru uzliesmojumus, kilonovas, neitriņu emisiju, paplašinot zināšanas par kodolmateriālu ļoti augsta blīvuma apstākļos. Iemesls ir tāds, ka saplūšana izraisa r-procesa smago elementu ražošanu. Gravitācijas viļņi kopā ar elektromagnētisko signālu sniedz vērtīgus datus par nukleosintēzi.

5.3 Vispārējās relativitātes pārbaude

Gravitācijas viļņu forma ļauj pārbaudīt vispārējo relativitāti stipra lauka apstākļos. Līdz šim novērojumi nerāda nekādas novirzes no GR – ne dipolārās starojuma, ne masīvā gravitona pēdas. Cerams, ka augstākas precizitātes dati nākotnē ļaus atklāt smalkas korekcijas vai apstiprināt jaunus fenomenus. Papildus, riņķošanas frekvences pēc BH saplūšanas pārbauda “plaukstošo BH” teorēmu (raksturojamu ar masu, griešanos, lādiņu).

6. Nākotnes gravitācijas viļņu astronomija

6.1 Pastāvīgi uzlabotie zemes detektori

LIGO un Virgo, kā arī KAGRA, uzlabojot jutību, – Advanced LIGO plānots sasniegt ~4×10-24 deformāciju pie 100 Hz. GEO600 palīdz R&D. Nākamās novērošanas kampaņas (O4, O5) var atklāt simtiem BH–BH saplūšanu gadā un vairākus desmitus NS–NS saplūšanu, veidojot “katalogu”, no kura tiks noskaidrota saplūšanu biežums, masas sadalījums, griešanās un iespējams negaidīti fenomeni.

6.2 Kosmiskie interferometri: LISA

LISA (Laser Interferometer Space Antenna), plānots ESA/NASA (~2030. gados), paredzēts atklāt zemāka frekvenču (mHz) viļņus no supermasīviem melnajiem caurumiem pāros, ārkārtīgi nevienmērīga masas attiecības saplūšanas (EMRI) un iespējams kosmisko stīgu vai inflācijas pēdas. LISA 2,5 milj. km roku garums kosmosā ļaus novērot avotus, kas Zemes detektoriem (augstākas frekvences) nav pieejami, tā papildinot pašreizējos LIGO/Virgo diapazonus.

6.3 Pulsāru laika mērījumu masīvi

Nanoherca frekvenci pēta pulsāru laika mērījumu masīvi (PTA) – NANOGrav, EPTA, IPTA, mērot smalkas pulsāru ierašanās laika korelāciju novirzes. Tie cenšas atklāt stohastisku fonu, kas rodas no supermasīvu melno caurumu pāru kodoliem. Pirmie iespējamie signāli varbūt jau parādās, gaida stingrākus apstiprinājumus. Panākumi noslēgtu gravitācijas viļņu spektra pārklājumu no ~kHz līdz nanoherciem.

7. Plašāka nozīme astrofizikā un kosmoloģijā

7.1 Kompaktā pāru veidošanās

Gravitācijas viļņu novērojumu katalogs rāda, kā veidojas melno caurumu vai neitronzvaigžņu pāri: kā zvaigžņu evolūcijas ceļi nosaka masu, griešanās sadalījumu, vai tie pieder divkāršiem objektiem, kā ķīmiskā sastāva ietekme. Šie dati papildina elektromagnētisko novērošanu, ļaujot uzlabot zvaigžņu populācijas modeļus.

7.2 Pamatfizikas pētījums

Papildus vispārējās relativitātes teorijas pārbaudei gravitācijas viļņi var uzlikt ierobežojumus citām teorijām (piemēram, ja gravitons būtu ar masu, pastāvētu papildu dimensijas). Tās arī ļauj "kalibrēt" kosmisko attālumu mērogu (standarta sirēnas), ja zinām avota sarkano nobīdi – tas ir neatkarīgs veids, kā mērīt Hubble konstanti, iespējams, palīdzot risināt pašreizējo Hubble spriedzes problēmu.

7.3 Daudzsignālu pētījumi

Neitronzvaigžņu saplūšanas (piemēram, GW170817) apvieno gravitācijas viļņu un elektromagnētiskos datus. Nākotnē būs iespējams detektēt neitrīnus, ja kodola sabrukumi, BH–NS saplūšanas tos izstaro. Šāda daudzsignālu metode sniedz izcilas zināšanas par sprādzienu fenomeniem, kodolfiziku, r-procesa elementu veidošanos, BH veidošanos. Tas ir līdzīgi SN 1987A neitrīnu mācībai, bet tagad daudz augstākā līmenī.

8. Eksotiski scenāriji un nākotnes iespējas

8.1 Primārie melnie caurumi un agrīnais Visums

Gravitācijas viļņi no agrīnā perioda varētu rasties no primāro melno caurumu saplūšanām, kosmiskās inflācijas vai fāžu pārejām mikrosekunžu epohās. Nākotnes detektori (LISA, jaunas paaudzes zemes interferometri, KMF polarizācijas mērījumi) varētu pamanīt šos arhaiskiem pēdas, atklājot Visuma agrīno dabu.

8.2 Eksotiski objekti vai tumšā mijiedarbība

Ja pastāv eksotiski objekti (piemēram, bozonu zvaigznes, gravastāri) vai jauni fundamentāli lauki, to saplūšanas viļņu forma var atšķirties no melno caurumu viļņiem. Tas ļautu sajust fiziku, kas pārsniedz vispārējo relativitāti vai norāda uz nezināmu mijiedarbību ar "tumšo sektoru". Līdz šim anomālijas nav atrastas, bet, pieaugot jutībai, varam atklāt negaidītus fenomenus.

8.3 Iespējamie pārsteigumi

Vēsturiski katrs jauns kosmiskās novērošanas “logs” ir atklājis negaidītus, neparedzētus fenomenus – radio, rentgena, gamma astronomija ir paplašinājusi mūsu redzesloku. Gravitācijas viļņu astronomija var atklāt līdz šim neiedomājamus atklājumus: no kosmisko stīgu sprādzieniem līdz vēl nezināmiem kompaktiem saplūšanas vai spin-2 lauku piemēriem.

9. Secinājums

Gravitācijas viļņi, kas agrāk bija tikai teorētisks Einšteina relativitātes aspekts, ir kļuvuši par ļoti svarīgu veidu, kā tieši pētīt enerģētiskākos un noslēpumainākos kosmosa notikumus. 2015. gadā LIGO atklājums apstiprināja gadsimta veco prognozi, sākot gravitācijas viļņu astronomijas laikmetu. Vēlāki melno caurumu un neitronzvaigžņu saplūšanas atklājumi nostiprināja relativitātes likumus un atklāja kosmisko kompakto dubultu daudzveidību, kas nav sasniedzama tikai ar elektromagnētiskajiem novērojumiem.

Šis jaunais kosmiskais informācijas avots nozīmē:

  • Rūpīgas GR pārbaudes iespējas stiprajā laukā.
  • Labāku izpratni par zvaigžņu evolūciju, kas noved pie melno caurumu vai neitronzvaigžņu saplūšanām.
  • Daudzsignālu sinerģijas atklāšanu ar elektromagnētiskajiem datiem, paplašinot astrofizikas izpratni.
  • Potenciālos kosmoloģiskos (Hābla konstantes) mērījumus un eksotiskās fizikas testus (piemēram, masīva gravitona).

Skatoties nākotnē, uzlabotie zemes interferometri, kosmiskās misijas kā LISA un pulsāru laika masīvi paplašinās mūsu klausīšanās iespējas gan frekvences, gan attāluma ziņā, nodrošinot, ka gravitācijas viļņu pētījumi paliks viena no dzīvotspējīgākajām mūsdienu astrofizikas jomām. Cerība atklāt pilnīgi jaunus fenomenus, pārbaudīt esošos modeļus vai pat atklāt fundamentālas erdvlaika īpašības garantē, ka gravitācijas viļņu fizika vēl ilgi piesaistīs zinātnieku uzmanību.

Saites un turpmāka lasīšana

  1. Hulse, R. A., & Taylor, J. H. (1975). “Pulsāra atklāšana binārā sistēmā.” The Astrophysical Journal Letters, 195, L51–L53.
  2. Abbott, B. P., et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) (2016). “Gravitācijas viļņu novērošana no bināro melno caurumu saplūšanas.” Physical Review Letters, 116, 061102.
  3. Abbott, B. P., et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) (2017). “GW170817: Gravitācijas viļņu novērošana no binārā neitronzvaigznes iedarbības.” 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). “Fizika, astrofizika un kosmoloģija ar gravitācijas viļņiem.” Living Reviews in Relativity, 12, 2.
Atgriezties emuārā