Pradėsiu nuo nuorodos į įrašą, kurį dariau prieš beveik dvejus metus. Tada, 2014-ųjų kovą, buvo paskelbta apie pirmykščių, nuo Didžiojo sprogimo užsilikusių, gravitacinių bangų aptikimą. Tiksliau, apie jų paliktą pėdsaką kosminėje foninėje spinduliuotėje. Visgi vėliau paaiškėjo, kad signalas tebuvo mūsų galaktikoje esančių dulkių paliktas triukšmas. Bet stebėjimai, aišku, nesiliovė.
Kaip atsiranda gravitacinės bangos?
Bet kokia medžiaga iškreipia erdvę aplink save. Kuo labiau nutolstame nuo medžiagos telkinio, tuo iškreipimas menkesnis, tačiau jis yra visur. Jei kūnas juda, keičiasi ir erdvės iškreipimas, tačiau vieno tokio pasikeitimo subangavimui neužtenka. Kad atsirastų gravitacinės bangos, reikalingas judėjimas su pagreičiu. Pavyzdžiui, gravitacines bangas skleidžia dvinarės žvaigždės. Taip pat manoma, kad gravitacinių bangų turėjo kilti Visatos egzistavimo pradžioje buvusio infliacijos periodo metu.
Toks gravitacinių bangų susidarymo mechanizmas yra analogiškas elektromagnetinei spinduliuotei. Krūvį turintis objektas, judantis su pagreičiu, skleidžia spinduliuotę. Netrukus po bendrosios reliatyvumo teorijos suformulavimo, Albertas Einsteinas išvedė ir gravitacinių bangų prognozę. Ir štai, praėjus šimtui metų jas pavyko aptikti tiesiogiai.
Kaip jas galima aptikti?
Ką reiškia „tiesioginis aptikimas“? Ogi tai, kad aptiktas gravitacinių bangų sukeltas erdvės susitraukimas ir išsitempimas. Gravitacinės bangos tą ir daro – tempia erdvę. Bet kokio atstumo pokytis yra labai nedidelis, 10-20 eilės ar mažesnis (viskas priklauso nuo šaltinio), taigi reikalingas ir labai jautrus detektorius. Nenuostabu, kad šiam atradimui prireikė šimto metų.
Tiesiogiai bangos aptinkamos naudojant interferometrą. Tai toks prietaisas, kuriame lazerio šviesa padalinama į du spindulius, nukreipiamus ilgais tuneliais statmenomis kryptimis. Kiekvieno tunelio gale spindulys atsispindi ir grįžta atgal, tada abu spinduliai sujungiami į vieną ir nukreipiami į ekraną. Jei abiejų spindulių nukeliauti atstumai yra tiksliai vienodi, bangos interferuoja destruktyviai – viena kitą panaikina ir jokio signalo detektorius neužfiksuoja. Tačiau jei vienas iš tunelių yra ilgesnis už kitą, gaunamas signalas, nebent ilgių skirtumas yra spindulio bangos ilgio kartotinis.
Gravitacinė banga, pralėkdama pro detektorių, jo tunelius iškreipia nevienodai, taigi teoriškai bangą aptikti įmanoma. Žinoma, pirmiausia reikia kuo geriau pašalinti visas kitas įmanomas vibracijas, pradedant netoliese važinėjančių automobilių keliamais virpesiais, baigiant Žemės tektoninių plokščių judėjimu.
Yra būdų aptikti gravitacines bangas netiesiogiai. Du vienas aplink kitą besisukantys objektai, spinduliuojantys šias bangas, praranda energiją, todėl jų orbita po truputį mažėja. Orbitos periodo trukmę labai tiksliai galime išmatuoti dvinariuose pulsaruose, tokiuose kaip Hulse-Taylor objektas. Šios poros sukimosi periodas trumpėja tiksliai taip, kaip prognozuoja bendroji reliatyvumo teorija, o jo atradimas 1974-aisiais buvo pirmasis rimtas gravitacinių bangų egzistavimo įrodymas. Atradėjai 1993-aisiais pasidalino Nobelio fizikos premiją.
„Advanced LIGO“ atradimas
„Advanced LIGO“ yra būtent toks interferometras, kurį aprašiau aukščiau. LIGO – Lazerinių interferometrų gravitacinių bangų observatorijos („Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory“) – projektas pradėtas dar 1992 m., detektorius įjungtas 2002-aisiais.
Per aštuonerius darbo metus gravitacinių bangų aptikti nepavyko, tada detektorius penkerius metus buvo atnaujinamas ir tobulinamas. Pernai rugsėjį, pavadintas „Advanced LIGO“, įjungtas iš naujo. Ir iškart, tiksliau netgi dar prieš pradedant oficialius stebėjimus, rugsėjo 14-ą dieną, užfiksuotas signalas, kuris, kaip paaiškėjo, yra dviejų susijungiančių juodųjų skylių paskleistos gravitacinės bangos.
Juodųjų skylių poros masės buvo atitinkamai 29 ir 36 kartus didesnės nei Saulės. Jos sukosi viena aplink kitą, o sukdamosi spinduliavo gravitacines bangas. Atstumas tarp jų mažėjo, sukimasis greitėjo, gravitacinės bangos stiprėjo, o jų dažnis didėjo. Galiausiai jos tapo tokios stiprios, kad „Advanced LIGO“ detektorius sugebėjo jas aptikti.
Pagautas signalas truko mažiau nei sekundę, bet jame aiškiai matyti bent septynios bangos keteros. Ir signalas visiškai atitiko tai, ką prognozuoja bendroji reliatyvumo teorija; būtent priderinę modelio parametrus prie signalo dažnio ir jo kitimo, LIGO komandos nariai ir nustatė juodųjų skylių mases. Juodosios skylės susiliejo į vieną, kuri dar trumpą laiką (vėlgi – trumpiau nei sekundę) virpėjo – tai matoma kaip slopstantis signalas. Iš jo savybių nustatyta, kad naujoji juodoji skylė yra 62 kartus masyvesnė už Saulę. Tai reiškia, kad 3 Saulės masės prarastos kaip energijos – išspinduliuotos gravitacinėmis bangomis.
Trys Saulės masės virto energija per keletą milisekundžių. Kaip spaudos konferencijos metu pastebėjo vienas iš LIGO įkūrėjų Kipas Thorne'as, trumpą laiką besijungiančių juodųjų skylių gravitacinė spinduliuotė turėjo daugiau galios, nei visos Visatos žvaigždės kartu sudėjus.
Toks stiprus signalas pasklido po visą Visatą. Kol atsklido iki mūsų, bangos amplitudė liko mažytė – erdvė ištempta/suspausta vos 10-21 karto. „Advanced LIGO“ detektorių kiekvieno tunelio ilgis yra po 4 km; šis atstumas susitraukė ar išsiplėtė mažiau nei per vieną tūkstantąją protono skersmens dalį. Ir visgi to užteko, kad signalas būtų pagautas. Žinodami pradinę bangos energiją ir dabartinę amplitudę, astronomai nustatė ir atstumą iki jos šaltinio – 410 megaparsekų, kas atitinka 1,3 milijardo metų praeitį.
Signalas aptiktas abiejuose „Advanced LIGO“ detektoriuose – tai žymiai padidina tikimybę, kad signalas yra tikras. Šiek tiek anksčiau jis prasidėjo Luizianoje, maždaug po septynių milisekundžių – Vašingtone. Ši informacija leido apytikriai nustatyti ir kryptį, iš kurios banga atsklido: greičiausiai tai yra pietinis dangus, maždaug Magelano debesų link. Tikslesniam nustatymui reikėtų dar bent vieno detektoriaus, kad pavyktų trianguliuoti signalą.
Nors signalas užfiksuotas dar rugsėjį, iki pat dabar komanda jį analizavo, tikrino jo patikimumą ir t.t. Dabar rezultatai surašyti į straipsnį, kuris praėjo recenzavimo procesą ir ketvirtadienį buvo paskelbtas žurnale „Physical Review Letters“.
Kas iš to?
Neabejoju, kad daug kam kyla klausimas, kokia tokio atradimo prasmė. Gal jau teko matyti skambias antraštes, kad jis pakeičia visą astronomiją. Ar tikrai? Greičiausiai, taip, bet tam reikės laiko.
Kad suprastume atradimo reikšmę, reikia prisiminti, kad iki šiol visa informacija apie kosmosą mus pasiekė tik elektromagnetinių bangų pavidalu. Ar tai būtų radijo bangos, atsklindančios iš energingų dalelių sąveikų su magnetiniais laukais, ar regimieji žvaigždžių šviesos spinduliai, ar rentgeno spinduliuotė iš juodųjų skylių akrecinių diskų – visa tai yra elektromagnetinės bangos. Nepaisant to, skirtingi jų diapazonai – radijo, submilimetrinės, infraraudonosios, regimosios, ultravioletinės, rentgeno ir gama bangos – atskleidžia labai skirtingą kosmoso vaizdą, leidžia aptikti ir tyrinėti skirtingus procesus. Prieš paleidžiant pirmąjį kosminį teleskopą, buvo ginčijamasi dėl jo poreikio, nes „vis tiek juo bus matoma tas pats, kas iš Žemės, tik šiek tiek ryškiau“. Vėliau paaiškėjo, kad taip teigusieji labai klydo.
Gravitacinės bangos – fundamentaliai kitoks informacijos apie kosmosą gavimo būdas. Galėdami identifikuoti jų šaltinius, mes atveriame net ne naują langą į kosmosą – mes įgyjame naują observatoriją. Dar vieną panašią observatoriją mums duos neutrinų stebėjimai, kurių gaudymas pernai davė pirmuosius rezultatus. O šis gravitacinių bangų aptikimas mums jau atskleidė:
* kad egzistuoja dvinarės juodosios skylės. Anksčiau jų egzistavimas buvo prognozuojamas teoriškai, bet aptikti nepavyko, nes tokie objektai elektromagnetiškai nieko nespinduliuoja;
* kad egzistuoja ~30 Saulės masių juodosios skylės. Anksčiau išmatuotos juodųjų skylių masės neviršijo 15 Saulės masių (čia turiu omenyje ne supermasyviąsias);
* kad juodosios skylės susilieja, o šio proceso signalas puikiai atitinka bendrojo reliatyvumo teorijos prognozes.
Ir tai – tik pirmieji duomenys, gauti dar oficialiai neprasidėjus „Advanced LIGO“ darbui. Tikimasi, kad tolesni stebėjimai atskleis dar ne vieną gravitacinių bangų šaltinį. „Advanced LIGO“ detektoriai jautrūs bangoms, kurių dažnis siekia nuo kelių iki tūkstančio hercų (t.y. per sekundę pro mus pralekia nuo kelių iki tūkstančio bangų keterų). Tokias bangas turėtų skleisti kompaktiškos ekstremalios dvinarės, sudarytos iš juodųjų skylių ir neutroninių žvaigždžių, bei supernovų sprogimai. Truputį mažesnio dažnio gravitacines bangas, kurių periodai trunka nuo sekundžių iki valandų, tikimasi aptikti kosminiais interferometrais. Tokio interferometro projekto LISA („Laser Interferometer Space Array“) pilotiniai detektoriai pernai išskrido į kosmosą. Dar ilgesnes gravitacines bangas tikimasi aptikti tik netiesiogiai – stebint pulsarų judėjimo pokyčius.
Antžeminių detektorių, tokių kaip LIGO, bus ir daugiau. LIGO konsorciumas šiuo metu derasi su kolegomis Indijoje, Europoje Prancūzija ir Italija bendradarbiauja „Virgo“ konsorciume, savo detektorių stato ir Japonija. Šie detektoriai, dalindamiesi informacija, sukurs planetos dydžio gravitacinių bangų paieškos tinklą, kuris leis nustatyti ir šaltinių savybes, ir jų padėtis erdvėje.
Mūsų laukia puikūs laikai ir daug naujovių.
