Štai ir keturioliktas konkurso darbas. Jo autorius – Glazgo universiteto Fizikos ir astronomijos programos ketvirtakursis Ronaldas Macas, pristatantis temą apie gravitacines bangas.

Gravitacinės bangos: vis dar neatrastas pasaulis

Ronaldas Macas

Vienas žinomiausių mokslo veikalų „Mathematical Principles of Natural Philosophy“, parašytas Niutono XVIIa., pasaulį pakeitė negrįžtamai. Jis pirmasis apibūdino gravitaciją – jėgą, kuri paaiškina, kodėl visgi obuoliai krenta ant žemės ir planetos sukasi aplink Saulę. Be gravitacijos dėsnio nebūtume pabuvoję Mėnulyje, o tolimiausias zondas šiuo metu neskrietų ties Saulės sistemos pakraščiu. Vis tik jau XIXa. buvo pastebėta, kad Niutono gravitacija turi trūkumų¹.

Siekiant išspręsti šiuos netikslumus, Einšteinas pristatė specialiąją reliatyvumo teoriją, kuri iškėlė dvi kontroversiškas idėjas: šviesos greitis yra pastovus ir erdvė su laiku yra neatsiejamai susiję. Po vienuolikos metų Einšteinas patobulino specialųjį reliatyvumą įtraukdamas gravitaciją, taip numatydamas ne vieną iki tol nežinomą reiškinį. Vienas iš jų – gravitacinės bangos, sklindančios erdvėlaikiu. Supaprastintas bangų susidarymo apibrėžimas skamba taip: bet koks greitėjantis objektas, jeigu jo judėjimas negali būti apibūdintas tam tikromis simetrijomis*, praras energiją spinduliuodamas gravitacines bangas.

Gravitacinės bangos sklisdamos erdvėlaikiu jį deformuoja – ištempia arba sutraukia, priklausomai nuo objekto padėties bangos atžvilgiu. Jų dydis apibūdinamas santykinio pailgėjimo koeficientu h (angl. strain), parodančiu, kaip pasikeitė objekto dimensijos. Naujausiais detektoriais įmanoma aptikti h=10^-21 pokytį, – tai prilygsta atstumo nuo Žemės iki Paukščių Tako centro išmatavimui metro tikslumu.

Turbūt jau supratote, jog aplinkinis pasaulis atrodytų visai kitaip stebint gravitacines bangas. Ironiška, bet juodosios skylės būtų vieni iš ryškiausių kūnų danguje. Kompiuteriniai modeliai rodo, jog jungiantis supermasyvioms juodosioms skylėms gravitacinės bangos gali išspinduliuoti iki 3-5 procentų rimties masės – tai būtų šviesiau negu stebimoji Visata elektromagnetinių bangų ruože per tą patį laiko tarpą^2,3. Vis tik mes jų neaptinkame, kodėl? Pagrindinės to priežastys yra aplinkos triukšmas ir didelis atstumas – problemos, kurias tikimasi išspręs atnaujinami detektoriai.

Rainer Weiss, Ronald Drever ir Kip Thorne** 1992m pasiūlė idėją aptikti grav. bangas naudojant interferometrus, kuri buvo įgyvendinta po dešimtmečio sukuriant LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). LIGO veikimo principas gan paprastas: lazerio spindulys padalinamas į du srautus, kurie keliauja statmenai vienas kitam ir grįžta atsispindėję nuo veidrodžių (žr. iliustraciją žemiau). Jeigu per šį laiko tarpą per detektorių keliavo gravitacinė banga, ji deformuos detektorių taip, kad spinduliai nukeliaus skirtingą atstumą. Atstumų pokytis gali būti įvertintas spinduliams grįžus ir susijungus.

Aštuonis metus atlikti stebėjimai teigiamo rezultato nedavė, todėl detektoriai šiuo metu yra atnaujinami, kas leis padidinti jų jautrumą 10 kartų, o tai savaime duos 1000 kartų didesnį tiriamą tūrį. Deja, bet prognozuoti aptikimo dažnį gana sunku – manoma, kad atnaujintas LIGO turėtų aptikti apie 20-40 juodųjų skylių susijungimų per metus (realistiniu įvertinimu), tačiau dėl nepakankamų duomenų mokslininkų prognozės kinta nuo 1 iki 1000 aptikimų per metus⁴.

Gravitacinių bangų detektorių reiktų įsivaizduoti ne kaip teleskopą, kuris stebi konkretų dangaus plotą, bet kaip mikrofoną, besiklausantį aplinkos garsų. Aplinkoje gausu kitų bangų, triukšmo, o norima analizuoti tik vieną objektą, būtent todėl labai svarbus signalų apdorojimas. Dėl šios priežasties didžioji dalis mokslininkų, užuot tobulinę detektorius, dirba ties signalų simuliacija ir duomenų apdorojimu.

Signalų modeliuotojai bando atkurti signalą, kurį skleistų juodosios skylės ir neutroninės žvaigždės joms jungiantis. Iššūkių išties daug, pradedant galybe besikeičiančių parametrų (objektų masė, sukimasis, orbitos kampas, atstumas, …) baigiant tuo, kad nėra pilnų gravitacinio lauko lygčių, todėl tenka daryti aproksimacijas.

Duomenis apdorojantys mokslininkai stengiasi išspręsti pagrindinę problemą – triukšmą. Kai kuriuos faktorius galima pakeisti, pvz. temperatūrą, veidrodžių vibraciją, lazerių galią, tačiau kažin ar pavyks panaikinti vandenynų bangas, skalaujančias krantą, riedančius traukinius šimtais kilometrų nuo detektorių, ar netgi aplink skraidančius paukščius, kurie taip pat prisideda prie triukšmo.

Tūkstančiai mokslininkų dirba ties gravitacinių bangų aptikimu daugiau nei 40 metų, naudojami šimtus milijonų dolerių kainuojantys detektoriai, tačiau ar yra kokių nors įrodymų, kad jos egzistuoja? Tiesioginių įrodymų kol kas nėra, paneigus BICEP2 mokslininkų komandos didžiulį atgarsį sulaukusį pranešimą apie pirmykščių gravitacinių bangų aptikimą⁴. Vis dėlto 1974m įvykęs atradimas, plačiajai auditorijai labiau žinomas kaip Hulse-Taylor dvinarė pulsarų sistema, suteikia tvirtą, nors ir netiesioginį, įrodymą. Pulsarai – itin greitai besisukančios neutroninės žvaigždės, pulsais spinduliuojančios elektromagnetines bangas  – retkarčiais sudaro dvinarę sistemą, kuri sukasi aplink bendrą masės centrą. Būtent tokią sistemą pavyko aptikti Russel Hulse ir Joseph Taylor. Išmatavus sukimosi orbitą pastebėta, jog pulsarai artėja vienas link kito, taigi, sistema praranda energiją. Prarastą energiją galima paaiškinti gravitacinių bangų skleidimu. Atlikus skaičiavimus ir palyginus su stebėjimais, R. Hulse ir J. Taylor parodė, kad duomenys atitinka pusės procento tikslumu (žr. grafiką žemiau).

Atnaujinti LIGO detektoriai pradės veikti jau 2015m vasarą, o mokslininkai tikisi sulaukti pirmųjų signalų per artimiausius metus. Ar jos pakeis mūsų gyvenimą taip, kaip elektromagnetinių bangų naudojimas moksle ir buityje, parodys tik ateitis. Štai S. Hawking kalba apie juodųjų mikro skylių tiekiamą energiją žmonijai⁶, tačiau pirmaisiais dešimtmečiais tiesioginės naudos sulauks nebent astrofizikai ir bendrosios reliatyvumo teorijos šalininkai. Kol kas tikėkimės, kad jau netrukus galėsime pažvelgti į gravitacinių bangų pasaulį.

* Vienas iš simetrijų pavyzdžių yra judesio kiekio momento tvermės dėsnis.

** Taip pat nemažai prisidėjęs prie filmo „Tarp žvaigždžių“ (angl. Interstellar) filmo mokslinės dalies.

 

Literatūros šaltiniai:

1) http://physics.ucr.edu/~wudka/Physics7/Notes_www/node98.html

2) Bernard Shutz, A first course in General Relativity, Cambridge University Press, 2009, p. 240

3) B. Schutz, B. Sathyaprakash, Physics, Astrophysics and Cosmology with Gravitational waves, 2009, p.17

4) Abadie et al., Predictions for the Rates of Compact Binary Coalescences Observable by Ground-based Gravitational-wave Detectors, 2010

5) http://www.math.columbia.edu/~woit/wordpress/?p=7199

6) http://www.hawking.org.uk/into-a-black-hole.html