Gravitacinės bangos – trikdžiai ?

Laser Interferometer Space Antenna

 

Prieš 330 metų I. Niutonas (Newton) teoriškai bei praktiškai pasigilino į gravitacijos reiškinį ir aprašė jį matematiškai visuotinės traukos dėsniu  F = G*m1*m2/r²; t.y. dviejų sąveikaujančių objektų traukos jėgą lemia jų masės ir atstumo tarp jų kvadratas („Philosophiae naturalis Principia mathematica“).

I. Newton

Dailininko Godfrey Kneller 1689 m. nutapytas I. Newton portretas

Londono karališkosios Draugijos 1686 metų balandžio 28 dienos protokolas byloja: „Svarstytas Niutono manuskriptas, kuriame matematiškai įrodoma Koperniko hipotezė ir Keplerio spėjimas apie dangaus kūnų judėjimą veikiant Saulės traukai“. Nuspręsta išleisti veikalą Draugijos lėšomis. Paaiškėjus pinigų stygiui, leidimą finansavo Niutono bičiulis astronomas E. Halėjus (Halley), pagal ką tik suformuluotus dėsnius sukūręs kometų orbitų skaičiavimo metodiką. Tritomio išleidimo džiaugsmą aptemdė R. Huko (Hooke) pretenzijos į traukos dėsnio autorystę. Tuometinio mokslo elitas priekaištavo ir dėl Dievo vaidmens ignoravimo. Net žymūs mokslininkai Heigensas, Bernulis, Kasinis prieštaravo traukos be materialaus nešiklio per visiškai tuščią erdvę teorijai ir Niutono pasiūlytam jūrinių potvynių aiškinimui Mėnulio trauka.

Tačiau Galaktikos sandaros atradėjas D. Heršelis (Hershel) teisingai pastebėjo, kad „Niutonas pradėjo brandaus proto erą“.

Konstantos G vertę eksperimentiškai prieš 220 metų įvertino H. Kavendišas (Henry Cavendish) kaip traukos jėgą tarp dviejų 1 kg masės kūnų per 1 m nuotolį  G = 6,67.10-11 N.m²/kg² = 667 nN.m²/kg².

Henry Cavendish

Henris Kavendišas mėgino įvertinti G dydį

Prieš 100 metų A. Einšteinas (Einstein) numatė gravitacinių bangų egzistavimą veikale „Uber Gravitationwellen“
Visi nuolat patiriame gravitaciją, kurios jėga 5974 Yg masės Žemės paviršiuje (r = 6367000 m) – 9,81 N/kg. Kiek mažesnę gravitacinę jėgą patiria ir astronautai (pagal nuotolį r+h), bet ją atsveria judėjimo orbita išcentrinė jėga, taip sudarant nesvarumo būseną.

Uber Gravitationwellen

A. Einšteino veikalo „Apie gravitacines bangas“ pradžia

Nutolus nuo masyvių kūnų dar toliau (kaip Pioneer ir Voyager), nesvarumas būtų dar grynesnis. Gravitacija veikia ir formuojantis žvaigždėms trauksmos reiškiniu, ir visų kosminių judesių atvejais, bet lig šiol jos bangų nepavyko aptikti. Gravitacijos laukas apibūdinamas kaip materijos forma, kur bet kokios masės kūną veikia traukos jėga, o bangos – kaip to lauko trikdžiai (erdvėlaikio fliuktuacijos), šviesos greičiu skleidžiančios energiją ir judesio kiekį.

Bene pirmasis mėgino pamatuoti gravitacinės bangos, sklindančios iš mūsų galaktikos centro, amplitudę J. Vėberis (Weber) 1969 m., bet jo paskelbtos vertės tebėra abejotinos savo didumu.

Netiesiogiai gravitacines bangas iš binarinės žvaigždės PSR B1913 stebėjo 1970-74 m. R. Halsas (Hulse) ir J. Teiloras (Taylor), už ką 1993 m. apdovanoti Nobelio premija.

Kuriant kvantinę gravitacinio lauko bei hipotetinę stygų teoriją, svarbu nuodugniau ištirti gravitacinę sąveiką. Tam prireikė ypač jautrių prietaisų, kurie teiktų pasikliautinesnių rezultatų. Perspektyviausiais pasirodė lazeriniai detektoriai, matuojantieji didelės bazės interferometrais šviesos signalo kelio optinio ilgio pokytį nuo gravitacinės bangos. Tokius prietaisus inicijavo K. Thorn, R. Weiss ir R. Drever, subūrė tūkstantinį mokslininkų iš 90 universitetų kolektyvą 1983 m, bet jautrio ir apsaugos nuo pašalinių trikdžių tobulinimas užtruko.

Tik pernai tarptautinio LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) dalyviai paskelbė aptikę gravitacines bangas (B. P. Abbot et al. „Observation of Gravitation Waves…“ Phys. Rev. Lett. 116, 2016 metai vasario 11 diena).

LIGO in Hanford LIGO in Hanford LIGO in Hanford LIGO in Hanford

LIGO Hanforde

LIGO in Livingston LIGO in Livingston LIGO in Livingston

LIGO Livingston

Livingstone ir Hanforde 3000 km atstumu išdėstyti detektoriai dar 2015 rugsėjo 14 dieną užfiksavo gravitacines bangas 35-250 Hz dažniuose 10-21 santykinės amplitudės, o 2015 gruodžio 26 dieną – signalą, atbangavusį per 1,3 mlrd šviesmečių nuo juodųjų skylių GW 150914 susidūrimo. Už gravitacinių bangų aptikimą iniciatoriai ir detektorių kūrėjai R. Drever, K. Thorne ir R. Weiss apdovanoti Gruber Prise in Cosmology, o už eksperimentinį patvirtinimą LIGO – Breakthrough Prize.

Analogiškas Europos detektorius VIRGO (Italijoje netoli Pizos) dar tobulinamas didinant jautrį, ir tikimasi detaliau matuoti gravitacines bangas kartu su LIGO.

Pietų poliaus Amundsen-Scott stotyje nuo 2005 m. tobulinamas BICEP (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization) radioteleskopinis detektorius (o75x240 cm didumo ir 0,75 t masės), matuosiantis kosminių bangų poliarizaciją ir teiksiantis duomenų apie pradines kosmoso sąlygas po Didžiojo sprogimo.

Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization

Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization netoli Pietų Poliaus

Gravitational-Wave Observatories Across the Globe

Gravitacinių bangų observatorijos Žemėje

Dar tobulesnį detektorių  eLISA (Laser Interferometer Space Antenna) kuria kosmose iš trijų erdvėlaivių, išdėstytų kelių Gm kraštinių trikampio viršūnėse.

Laser Interferometer Space Antenna

LISA schema

Laser Interferometer Space Antenna Laser Interferometer Space Antenna Laser Interferometer Space Antenna

LISA konstrukcijaLaser Interferometer Space Antenna team

LISA komanda

Pirmasis LISA Pathfinder 1,9 t 2,9 m šešiabriaunis 2017 vasario 22 dieną pasiekė L1 Lagranžo tašką ir jame įrengtų auksinių svarsčių laisvo kritimo režimą. Saulės vėjas jį veikia 28 mikroniutonų jėga, kurią kompensuos atitinkami mikrovarytuviukai. Šiuo detektorium tikimasi užfiksuot ir mažo dažnio gravitacines bangas. Kitus du eLISA erdvėlaivius iki Lagranžo taško nugabenti žada E. Musk Falcon‘ai.

Žemės gravitacijos lauką ir jo pokyčių įtaką klimatui nuo 2002 metų tiria GRACE (Gravity Recovery And Climate Experiment) du piramidės profilio briaunainiai (po 0,48 t masės), lekią 483-508 km aukščio orbita 280 km nuotoliu viens nuo  kito. Per 15 metų jie užfiksavo jūrų srovių ir ypač ledynų tirpimo gravitacines anomalijas – Grenlandija kasmet praranda apie 180 gT ledo (180 milijardų tonų),  Antarktida 67 gT (67 milijardus tonų). O juk ledynuose sukaupta 69 % gėlo vandens, gi upėse ir ežeruose – tik 0,3 %.

Autorius Aleksandras Loginovas


Parašykite komentarą

El. pašto adresas nebus skelbiamas. Būtini laukeliai pažymėti *