Гравітаційні хвилі та 6 питань космології, які вони можуть вирішити

Тепер, коли дослідники LIGO підтвердили реєстрацію гравітаційних хвиль, варто приділити увагу практичним питанням, на які може вплинути сенсаційне відкриття.

Використовуючи два лазерних детектори: один у штаті Луїзіана та його близнюка у штаті Вашингтон, вчені створили умови для визначної події в історії людства. Коливання тканини простору-часу, викликані зіткненням двох чорних дір, були зафіксовані у вигляді відхилення фотонів на Землі. Таким чином, було підтверджено останнє пророцтво Загальної теорії відносності Айнштайна.

Щоби зробити результати експерименту більш наочними, дослідники трансформували коливання у звук. Це дозволило “почути” гравітаційні хвилі, у той час, як лазерні телескопи їх “спостерігали”.

Дві зірки рухаються довкола перед зіткненням
Дві зірки рухаються довкола та об’єднуються, викликаючи гравітаційні брижі. Художнє зображення. Джерело: NASA/CXC/GSFC/T.Strohmayer

Джерелом брижі у космосі стали дві чорні діри GW150914, розташовані у південній півкулі неба. Саме такі об’єкти здатні генерувати величезну кількість енергії у малий проміжок часу: на мить потужність зіткнення перевищила потік енергії усіх зірок у видимому Всесвіті. Серед іншого, пари чорних дір є найчистішим джерелом гравітаційних хвиль, яке легше інтерпретувати науковцям.

Джерело гравітаційних хвиль LIGO
Орієнтовна ділянка неба, звідки походили гравітаційні коливання. Джерело: LIGO/Axel Mellinger

Об’єднані чорні діри утворюються від зустрічі двох чорних дір, які рухаються за спіральною траєкторією, випромінюючи енергію у вигляді гравітаційних хвиль. Такі хвилі, перетворені у акустичні, нагадують щебетання, і за ними науковці мають змогу вирахувати масу кожного з об’єктів.

Гравітаційні коливання від зустрічі двох чорних дір, перетворені у акустичний сигнал. Джерело: Caltech/MIT/LIGO Lab

Коли зустріч все ж таки відбувається, злиття виявляється неминучим.

Це наче мати поряд дві мильні бульбашки, які об’єднуються в одну. На початку більша бульбашка деформується.

– пояснює Тібульт Дамур (Thibault Damour), фізик-теоретик з Інституту вищих наукових досліджень Франції.

У результаті виникає одна сферична чорна діра, але цьому передує утворення гравітаційних хвиль з особливим візерунком коливань.

Хіба чорні діри невідомі?Одним з найголовніших наслідків відкриття гравітаційних хвиль стане підтвердження того факту, що чорні діри справді існують. Принаймні, вчені очікують побачити ідеально сферичні об’єкти, зроблені з чистого та викривленого простору-часу, як це було передбачено Загальною теорією відносності. З іншої сторони, вчені зможуть визначити, чи протікає злиття чорних дір саме так, як вони гадали. Досі ми могли лише спостерігати за зірками та розпеченим газом, який обертається довкола чорних дір, але не за ними безпосередньо

Наукове товариство, включно зі мною, дуже незадоволено чорними дірами, якими вони є. Ми прийняли їх як безперечний факт. Проте, якщо подумати, наскільки це приголомшливе передбачення, нам потрібні справді приголомшливі докази.

 – прокоментував роботу Франс Преторіус, спеціаліст з моделювання Загальної теорії відносності у Прінстоні, Нью-Джерсі.

Викривлення простору-часу довкола чорних дір. Джерело: SXS

Чи мандрують гравітаційні хвилі зі швидкістю світла?

Наступним питанням, яке мають вирішити дослідники, є порівняння даних LIGO з іншими обсерваторіями. Так вони зможуть встановити, чи надійшов до них сигнал одночасно, тобто з однаковою швидкістю. Фізики вважають, що гравітація поширюється за допомогою гравітонів – квантових часток, які є гравітаційним аналогом фотонів. Якщо гравітони не мають маси так само, як фотони, тоді вони можуть мандрувати простором-часом зі швидкістю світла, що відповідає умовам загальної теорії відносності.

Їхня швидкість може бути змінена розширенням Всесвіту, яке відбувається з прискоренням. У будь-якому випадку, цей ефект навряд себе виявить у межах лабораторії LIGO, адже мова йде про справді космічні масштаби.

Реєстратори гравітаційних хвиль на мапі світу
Реєстратори гравітаційних хвиль на мапі світу: жовті – чинні обсерваторії, зелені – будуються, червоні – заплановані. Джерело: Caltech/MIT/LIGO Lab

Існує також ймовірність, що гравітони все ж мають деяку масу. У такому випадку вони будуть розповсюджуватись зі швидкістю, меншою за швидкість світла. Тому, якщо у LIGO (США) та VIRGO (Європа) помітять, що гравітаційні хвилі дійшли до них з певною затримкою у порівнянні з гамма-спалахом від того ж джерела, тоді фундаментальна фізика буде одразу ж переглянута.

Чи складається простір-час з космічних струн?

Симуляція космічних струн
Космічні струни – симуляція. Джерело: Університет Сассекса

“У сусідній кімнаті” ховається не менш дивовижне явище. Може виявитися, що джерелом гравітаційних хвиль насправді є космічні струни, які можуть бути пов’язані з Теорією струн, або ж ні.

Космічні струни – це гіпотетичні утворення, дефекти структури простору-часу. Вони можуть бути неосяжно тонкими, але простягатися на космічні відстані через розширення космосу. Вчені припускають, що космічні струни, якщо вони існують, можуть утворювати локальні перегини. У таких місцях вони можуть розриватися, вивільняючи енергію та спричиняючи гравітаційні хвилі, які могли б реєструвати LIGO та VIRGO.

Нейтронні зірки зморшкуваті?

Нейтронні зірки утворюються з залишків великих зірок, які свого часу колапсували під дією власної ваги. Їх речовина перетворилась у “суп” з електронів та протонів, які від тиску синтезувались у нейтрони. Фізика цих космічних об’єктів досі лежить у полі теоретичних досліджень, однак, гравітаційні хвилі могли б змінити цю ситуацію.

У теорії величезна гравітація нейтронних зірок формує у них ідеальну гладку сферичну поверхню. Але деякі дослідники вважають, що на поверхні нейтронних зірок може існувати щось на кшталт схилів, висотою лише у 10 мм. У цьому сенсі нейтронні зірки з діаметром приблизно 10 км є дещо асиметричними. Оскільки ці космічні об’єкти обертаються дуже-дуже швидко, такий “ріжок” на їх поверхні буде викликати збудження простору часу та продукувати гравітаційні хвилі, з формою, схожою на синус. Таке марнотратство енергії на гравітаційні коливання повинне гальмувати зорю та зменшувати її кутовий момент.

Пара нейтронних зірок також буде викликати гравітаційні брижі, так само, як і у випадку чорних дір. Вони також з часом об’єднаються.

Результатом такої зустрічі може бути цілий “зоопарк” різних ймовірних форм, у залежності від початкових мас та можливостей нейтронної речовини витримати тиск.

– пояснив Преторіус.

Фінальною структурою може стати більша нейтронна зоря, або ж речовина може колапсувати, утворивши чорну діру.

Що змушує зірки вибухати?

Чорні діри, як і нейтронні зорі, виникають, коли великі зорі перестають сяяти та колапсують в одну з форм “дивної фізики”. На думку астрофізиків, саме такий процес живить енергією вибухи наднових найпоширенішого типу II. Моделювання таких вибухів поки що не дало чітких відповідей на те, що саме запускає процес. Можливо, “прослуховування” гравітаційних хвиль від справжніх наднових допоможе пролити світло на суть цього механізму.

Наднова SN 1006
SN 1006 – наднова зоря, що спалахнула 8000 років тому у сузір’ї Вовка. На Землі її зафіксували 1 травня 1006 року. Вона знаходиться на відстані близько 6850 світлових років від нас. Джерело: NASA, ESA, Zolt Levay (STScI)

Якщо проаналізувати форму гравітаційних хвиль, їх рівень та частоту, і порівняти це з даними електромагнітних спостережень, отримані дані зможуть перевірити або спростувати наявні моделі.

Як швидко розширюється Всесвіт?

Всесвіт розширюється, це факт. До того ж, розширення відбувається з прискоренням, тому об’єкти, що віддаляються від нашої галактики, виглядають червоними. Електромагнітні хвилі, які випромінюються ними, розтягуються разом з простором-часом, тому їх спектр зміщується до червоного (довгі хвилі).

Для того, щоби порахувати інтенсивність розширення, науковці враховують червоне зміщення та реальну відстань до Землі. Однак, ця відстань розраховується на основі яскравості наднових типу I-a, а сама техніка може мати значну похибку. Якщо декілька земних гравітаційних детекторів визначать “гучність” сигналу від об’єднання двох нейтронних зорь, тоді вчені зможуть досить точно встановити відстань до джерела та визначити напрямок: галактику, у якій це трапилось. Якщо порівняти червоне зміщення цієї галактики з розрахунками від амплітуди гравітаційних хвиль, вчені отримують, можливо, найбільш точні розрахунки прискорення розширення Всесвіту.

За матеріалами Scientific American та Nature

Повідомити про помилку: підкресліть текст та натисніть CTRL+Enter або