Mis on gravitatsioonilained?

Esmaspäeval (16. oktoober 2017) teatasid LIGO ja Neitsi neutronitähtede kokkupõrkel tekkivate gravitatsiooniliste lainete esimesest tuvastamisest. Kuid mis on gravitatsioonilained? Siin on Nottingham Trenti ülikooli Gren Iresoni selgitus

Et nähtust kõige paremini mõista, lähme ajas tagasi mõnesaja aasta taha. Aastal 1687, kui Isaac Newton avaldas oma filmi Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, mõtles ta gravitatsioonijõule kui atraktiivsele jõule kahe massi vahel - olgu see siis Maa ja Kuu või kaks hernet lauaplaadil. Selle jõu edastamise olemus oli tol ajal aga vähem mõistetav. Tõepoolest, gravitatsiooniseadust ennast ei testitud enne, kui Briti teadlane Henry Cavendish tegi seda 1798. aastal, mõõtes samal ajal Maa tihedust.

Liikuge edasi aastasse 1916, mil Einstein esitas füüsikutele uue mõtteviisi ruumi, aja ja raskuse kohta. Tuginedes 1905. aastal avaldatud tööle, sidus üldrelatiivsusteooria kokku sellega, mida me tavaliselt peame eraldiseisvateks üksusteks - ruumiks ja ajaks - selleks, mida nüüd nimetatakse “ruumiajaks”.

Ruumiaega võib pidada universumi kangaks. See tähendab kõike, mis liigub, liigub sellest läbi. Selles mudelis moonutab mis tahes mass mass ruumi-aja kangast. Mida suurem on mass, seda suurem on moonutus. Ja kuna iga liikuv objekt liigub läbi aegruumi, järgib see ka moonutusi, mida põhjustavad suure massiga objektid.

Üks mõtteviis sellest on kaaluda batuudil mängimas kaht last, üks raskem kui teine. Kui käsitleme batuudi pinda kangana, siis massiivsem laps moonutab kangast rohkem kui teine. Kui üks laps asetab palli teise jalgade lähedale, veereb pall nende jalgade suunas või järgib moonutust. Samamoodi, kui Maa läheb ümber päikese, moonutab tohutu päikese mass ümbritsevat ruumi, jättes meie suhteliselt pisikese planeedi võimalikult sirgele teele, kuid kõverdatud ruumi. See on põhjus, miks see jõuab päikese tiirlemiseni.

Batuudid: lõbus ja hariv. Pilt cotrim / pixabay kaudu.

Kui me selle lihtsa analoogia aktsepteerime, on meil gravitatsiooni põhitõed. Gravitatsioonilainetele liikumine on väike, kuid väga oluline samm. Lase ühel batuudil oleval lapsel tõmmata raske ese üle pinna. See loob pinnale pulsatsiooni, mida on võimalik jälgida. Teine viis selle visuaalseks muutmiseks on kaaluda oma käe liikumist läbi vee. Lained või lained levivad oma päritolust laiali, kuid kõdunevad kiiresti.

Mis tahes objekt, mis liigub läbi kosmose-aja kanga, põhjustab selles kangas laineid või virinaid. Kahjuks kaovad need lainelised küllaltki kiiresti ja ainult kõige ägedamad sündmused tekitavad moonutusi, mis on Maal avastamiseks piisavalt suured. Vaadates seda vaatenurka, tooks kaks põrkuvat musta auku, millest igaühe mass on kümme korda suurem kui meie päikesel, põhjustada laine, mis moonutab Maale jõudmisel aatomi läbimõõdust 1%. Selle skaala korral on moonutus Maa läbimõõdu muutuse suurusjärgus 0, 0000000000001m, võrreldes loodete mõjust tuleneva 1m muutusega.

Milleks saab kasutada gravitatsioonilaineid?

Arvestades, et need laperdused on nii väikesed ja neid on nii keeruline tuvastada, miks oleme nende leidmiseks nii palju vaeva näinud ja miks peaksime hoolima nende määrimisest? Meelde tulevad kaks vahetut põhjust (jätan kõrvale oma huvist lihtsalt teada saada). Üks on see, et Einstein ennustas neid 100 aastat tagasi. Gravitatsiooniliste lainete olemasolu kinnitamine pakub seetõttu tema üldisele relatiivsusteooriale veel tugevat vaatluslikku tuge.

Lisaks võiks kinnitus avada uusi füüsika valdkondi, näiteks gravitatsioonilaine astronoomia. Uurides neid kiirgavaid protsesse, mis neid kiirgasid, sel juhul oli kaks ühendavat musta auku näha kosmose vägivaldsete sündmuste intiimseid detaile.

Planeeritud kosmosepõhine laserinterferomeeter LISA võiks üksikasjalikult uurida gravitatsioonilainete astrofüüsikalisi allikaid. Pilt NASA kaudu.

Sellise astronoomia parimaks ärakasutamiseks on siiski kõige parem paigutada detektor kosmosesse. Maal asuv LIGO suutis laserinterferomeetria abil gravitatsioonilaineid tabada. See tehnika toimib laserkiire jagamisel kahes risti ja suunates mõlemad alla vaakumitunneli. Seejärel peegeldavad need kaks rada peeglitega tagasi punkti, kust nad algasid, kus detektor asetatakse. Kui laineid häirivad nende teel olevad gravitatsioonilised lained, eristuksid rekombineeritud talad algsest. Järgmiseks kümnendiks kavandatud kosmosepõhised interferomeetrid kasutavad aga kuni miljoni kilomeetri pikkuseid laserrelvi.

Nüüd, kui me teame, et need on olemas, on lootus, et gravitatsioonilained võivad avada ukse vastamaks teaduse mõnele suurimale mõistatusele, näiteks millest koosneb suurem osa universumist. Ainult 5% universumist on tavaline aine, 27% moodustab tume mateeria ja ülejäänud 68% on tume energia, kusjuures kahte viimast nimetatakse dark, kuna me ei saa aru, mis need on. Gravitatsioonilised lained võivad nüüd pakkuda tööriista, mille abil neid saladusi sondeerida sarnasel viisil, nagu röntgenikiirgus ja MRI võimaldasid meil inimkeha sondeerida.

Gren Ireson, teadushariduse professor, Nottingham Trenti ülikooli hariduskooli teadusuuringute koordinaator

See artikkel avaldati algselt lehel The Conversation. Lugege algset artiklit.

Kahe ühendava musta auku arvutisimulatsioon, mis tekitab gravitatsioonilaineid. Pilt Werner Bengeri kaudu.

Alumine rida: seletus gravitatsioonilainete kohta.