Първото директно откриване на гравитационните вълни се очаква да бъде обявено на 11 февруари от учени от Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Използвайки два гигантски LIGO детектора - единият в Ливингстън, Луизиана и другият в Ханфорд, Вашингтон, учените измериха пулсациите в космическото време, които се генерират от сблъсъка на две черни дупки и изглежда най-накрая са намерили това, което търсят.
Подобно твърдение би потвърдило гравитационните вълни, предвидени от Алберт Айнщайн, които той направи част от общата си теория на относителността преди 100 години, но последиците няма да свършат дотук. Като вибрация на тъканта на пространството-времето, гравитационните вълни често се сравняват със звук, дори се трансформират в звукови песни. Гравитационните вълнови телескопи биха позволили на учените да "чуят" явления по същия начин, по който светлинните телескопи ги "виждат".
Когато LIGO се бори за финансиране от американското правителство в началото на 90-те години, астрономите бяха основните му претенденти в изслушванията в Конгреса. „Тогава се смяташе, че LIGO няма нищо общо с астрономията“, казва Клифърд Уил, теоретик на относителността в Университета на Флорида в Гейнсвил и един от ранните привърженици на LIGO. Но много неща се промениха оттогава.
Добре дошли в астрономията на гравитационната вълна. Нека да разгледаме проблемите и явленията, които тя би могла да разкрие.
Има ли наистина черни дупки?
Сигналът, очакван от съобщението LIGO, може да е произведен от две сливащи се черни дупки. Събития като тези са най-енергичните известни; силата на гравитационните вълни, излъчвани от тях, може за кратко да затъмни всички звезди от наблюдаваната Вселена. Сливането на черни дупки също е много лесно да се тълкува от много чисти гравитационни вълни.
Промоционално видео:
Сигналът, очакван от съобщението LIGO, може да е произведен от две сливащи се черни дупки. Събития като тези са най-енергичните известни; силата на гравитационните вълни, излъчвани от тях, може за кратко да затъмни всички звезди от наблюдаваната Вселена. Сливането на черни дупки също е много лесно да се тълкува от много чисти гравитационни вълни.
Сливането на черни дупки се получава, когато две черни дупки се спирали една около друга, излъчвайки енергия под формата на гравитационни вълни. Тези вълни имат характерен звук (чуруликане), който може да се използва за измерване на масата на тези два обекта. След това черните дупки обикновено се сливат.
„Представете си два сапунени мехурчета, които се приближават достатъчно близо, за да образуват един балон. По-големият балон се деформира , казва Тибалт Дамур, теоретик на гравитацията в Института за напреднали научни изследвания в Париж. Крайната черна дупка ще бъде перфектно сферична, но първо трябва да излъчва гравитационни вълни от предвидим тип.
Едно от най-важните научни последици от откриването на сливания на черни дупки ще бъде потвърждаването на наличието на черни дупки - поне идеално кръгли обекти, съставени от чисто, празно, извити пространствено време, както е предвидено от общата относителност. Друго следствие е, че сливането протича както прогнозираха учените. Астрономите имат много косвено потвърждение на това явление, но досега това са наблюдения на звезди и прегрял газ в орбитата на черни дупки, а не самите черни дупки.
„Научната общност, включително и аз, не обича черните дупки. Приемаме ги за даденост “, казва Франс Преториус, специалист по симулации на обща относителност в Принстънския университет в Ню Джърси. "Но ако се замислите какво невероятно прогнозиране е това, се нуждаем от наистина невероятно доказателство."
Гравитационните вълни се движат със скоростта на светлината?
Когато учените започват да сравняват наблюденията на LIGO с тези на други телескопи, първото нещо, което проверяват, е дали сигналът е пристигнал едновременно. Физиците смятат, че гравитацията се предава от гравитонни частици, гравитационният аналог на фотоните. Ако, подобно на фотоните, тези частици нямат маса, тогава гравитационните вълни ще се движат със скоростта на светлината, съответстваща на прогнозата за скоростта на гравитационните вълни в класическата относителност. (Тяхната скорост може да бъде повлияна от ускоряващото се разширяване на Вселената, но това трябва да се прояви на разстояния, значително превишаващи тези, обхванати от LIGO).
Напълно възможно е обаче гравитоните да имат малка маса, което означава, че гравитационните вълни ще се движат със скорост, по-малка от светлината. Така например, ако LIGO и Дева открият гравитационни вълни и разберат, че вълните са пристигнали на Земята по-късно, отколкото са свързани с космическо събитие от гама лъчи, това може да има фатални последици за фундаменталната физика.
Космическото струни ли е направено пространственото време?
Още по-странно откритие може да се случи, ако бъдат открити изблици на гравитационни вълни, произлизащи от „космически струни“. Тези хипотетични дефекти на кривината пространство-време, които могат или не могат да бъдат свързани с теории на струните, трябва да бъдат безкрайно тънки, но изпънати на космически разстояния. Учените прогнозират, че космическите струни, ако съществуват, биха могли да се огънат случайно; ако струната се огъне, това ще доведе до гравитационен удар, който детектори като LIGO или Дева могат да измерят.
Могат ли неутронните звезди да бъдат назъбени?
Нейтронните звезди са останките на големи звезди, които се сринаха под собствената си тежест и станаха толкова плътни, че електроните и протоните започнаха да се топят в неутрони. Учените слабо разбират физиката на неутронните дупки, но гравитационните вълни биха могли да разкажат много за тях. Например интензивната гравитация на повърхността им причинява неутронните звезди да станат почти идеално сферични. Но някои учени предполагат, че те също могат да имат „планини“- високи няколко милиметра -, които правят тези плътни предмети с диаметър 10 километра, не повече, леко асиметрични. Неутронните звезди обикновено се въртят много бързо, така че асиметричното разпределение на масата ще деформира пространството и ще произведе постоянен синусоидален гравитационен вълнов сигнал, забавяйки въртенето на звездата и излъчващата енергия.
Двойките неутронни звезди, които се въртят една около друга, също произвеждат постоянен сигнал. Подобно на черните дупки, тези звезди се спирали и в крайна сметка се сливат в отличителен звук. Но неговата специфичност се различава от спецификата на звука на черните дупки.
Защо звездите експлодират?
Черните дупки и неутронните звезди се образуват, когато масивните звезди престанат да блестят и се сриват в себе си. Астрофизиците смятат, че този процес е в основата на всички обичайни експлозии на свръхнови тип II. Симулациите на такива свръхнове все още не са разкрили защо те се запалват, но се смята, че слушането на гравитационните изблици на вълни, излъчвани от истинска супернова, дава отговор. В зависимост от това как изглеждат спуканите вълни, колко са силни, колко често се появяват и как корелират със свръхнови, проследявани от електромагнитни телескопи, тези данни биха могли да помогнат да се изключи куп съществуващи модели.
Колко бързо се разширява Вселената?
Разширяването на Вселената означава, че отдалечените обекти, които се отдалечават от нашата галактика, изглеждат по-червени, отколкото са в действителност, тъй като светлината, която излъчват, се простира, докато се движат. Космолозите оценяват скоростта на разширяване на Вселената, сравнявайки червеното изместване на галактиките с това колко далеч са те от нас. Но това разстояние обикновено се оценява от яркостта на суперновите тип Ia и тази техника оставя много несигурности.
Ако няколко детектора на гравитационни вълни по света открият сигнали от сливането на едни и същи неутронни звезди, те заедно могат абсолютно точно да преценят силата на сигнала, както и разстоянието, на което е станало сливането. Те също ще могат да оценят посоката и с нея да идентифицират галактиката, в която се е случило събитието. Сравнявайки червеното изместване на тази галактика с разстоянието до съединяващите се звезди, може да се получи независима скорост на космическо разширение, вероятно по-точна, отколкото позволяват сегашните методи.