Očekává se, že první přímá detekce gravitačních vln bude oznámena 11. února vědci na gravitační vlnové observatoři Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Pomocí dvou obřích detektorů LIGO - jednoho v Livingstonu, Louisianě a druhého v Hanfordu ve Washingtonu - vědci změřili vlnky v časoprostoru, které jsou generovány kolizí dvou černých děr, a zdá se, že konečně našli to, co hledali.
Takové prohlášení by potvrdilo gravitační vlny předpovězené Albertem Einsteinem, které se stal součástí jeho obecné teorie relativity před 100 lety, ale následky tam nekončí. Jako vibrace struktury časoprostoru se gravitační vlny často porovnávají se zvukem, dokonce se přeměňují na zvukové stopy. Gravitační vlnové dalekohledy by vědcům umožnily „slyšet“jevy stejným způsobem, jakým je „vidí“světelný dalekohled.
Když LIGO bojovalo o financování od americké vlády na počátku 90. let, astronomové byli jeho hlavními uchazeči v kongresových slyšeních. "Tehdy se myslelo, že LIGO nemá nic společného s astronomií," říká Clifford Will, obecný teoretik relativity na Floridské univerzitě v Gainesville a jeden z prvních zastánců LIGO. Od té doby se však hodně změnilo.
Vítejte v oblasti gravitační vlny astronomie. Podívejme se na problémy a jevy, které mohla odhalit.
Opravdu existují černé díry?
Signál očekávaný od oznámení LIGO mohl být produkován dvěma spojujícími se černými dírami. Události jako jsou tyto jsou nejvíce energeticky známé; síla gravitačních vln, které vyzařují, může celkem krátce zatměnit všechny hvězdy pozorovaného vesmíru. Sloučení černých děr lze také velmi snadno interpretovat z velmi čistých gravitačních vln.
Propagační video:
Signál očekávaný od oznámení LIGO mohl být produkován dvěma spojujícími se černými dírami. Události jako jsou tyto jsou nejvíce energeticky známé; síla gravitačních vln, které vyzařují, může celkem krátce zatměnit všechny hvězdy pozorovaného vesmíru. Sloučení černých děr lze také velmi snadno interpretovat z velmi čistých gravitačních vln.
Sloučení černých děr nastane, když se kolem sebe spirály dvou černých děr uvolní energii ve formě gravitačních vln. Tyto vlny mají charakteristický zvuk (cvrlikání), který lze použít k měření hmotnosti těchto dvou objektů. Poté se černé díry obvykle spojí.
"Představte si dvě mýdlové bubliny, které se dostanou dostatečně blízko, aby vytvořily jednu bublinu." Větší bublina je zdeformovaná, “říká Tybalt Damour, gravitační teoretik Ústavu pro pokročilý vědecký výzkum v Paříži. Konečná černá díra bude dokonale kulová, ale musí nejprve vyslat gravitační vlny předvídatelného typu.
Jedním z nejdůležitějších vědeckých důsledků objevování fúzí černých děr bude potvrzení existence černých děr - alespoň dokonale kruhových objektů složených z čistého, prázdného, zakřiveného spacetime, jak předpovídá obecná relativita. Dalším důsledkem je, že sloučení pokračuje, jak vědci předpovídali. Astronomové mají mnoho nepřímých potvrzení tohoto jevu, ale dosud se jednalo o pozorování hvězd a přehřátého plynu na oběžné dráze černých děr, nikoli samotných černých děr.
"Vědecká komunita, včetně mě, nemá rád černé díry." Bereme je jako samozřejmost, “říká Frans Pretorius, specialista na simulace obecné relativity na Princetonské univerzitě v New Jersey. "Ale pokud přemýšlíte o tom, jaká je to úžasná předpověď, potřebujeme opravdu úžasný důkaz."
Pohybují se gravitační vlny rychlostí světla?
Když vědci začnou porovnávat pozorování LIGO s pozorováním jiných dalekohledů, první věc, kterou zkontrolují, je, zda signál dorazil současně. Fyzici věří, že gravitace je přenášena gravitonovými částicemi, gravitačním analogem fotonů. Pokud, stejně jako fotony, tyto částice nemají žádnou hmotu, budou se gravitační vlny pohybovat rychlostí světla, což odpovídá predikci rychlosti gravitačních vln v klasické relativitě. (Jejich rychlost může být ovlivněna zrychlujícím se rozšiřováním vesmíru, ale to by se mělo projevovat na vzdálenostech výrazně převyšujících vzdálenosti pokryté LIGO).
Je však docela možné, že gravitony mají malou hmotnost, což znamená, že gravitační vlny se budou pohybovat rychlostí menší než světlo. Pokud například LIGO a Panna detekují gravitační vlny a zjistí, že vlny dorazily na Zemi později, než je spojeno s kosmickou událostí gama paprsků, mohlo by to mít osudové důsledky pro základní fyziku.
Je časoprostor vyroben z kosmických řetězců?
Pokud by byly detekovány výbuchy gravitačních vln vycházející z „kosmických řetězců“, mohlo by dojít k neznámému objevu. Tyto hypotetické vady časoprostorového zakřivení, které mohou nebo nemusí souviset s řetězcovými teoriemi, by měly být nekonečně tenké, ale natahované přes kosmické vzdálenosti. Vědci předpovídají, že kosmické struny, pokud existují, by se mohly náhodně ohnout; pokud se řetězec ohne, způsobí to gravitační nárůst, který by mohly měřit detektory jako LIGO nebo Panna.
Mohou být neutronové hvězdy rozcuchané?
Neutronové hvězdy jsou zbytky velkých hvězd, které se zhroutily pod vlastní hmotností a staly se tak hustými, že se elektrony a protony začaly roztavit do neutronů. Vědci mají jen malou představu o fyzice neutronových děr, ale gravitační vlny o nich mohly hodně říct. Například intenzivní gravitace na jejich povrchu způsobuje, že neutronové hvězdy jsou téměř dokonale kulovité. Někteří vědci však navrhli, že mohou mít také „hory“- několik milimetrů vysoké -, které způsobují, že tyto husté objekty, jejichž průměr není větší než 10 kilometrů, jsou mírně asymetrické. Neutronové hvězdy mají sklon se točit velmi rychle, takže asymetrické rozdělení hmoty bude deformovat časoprostor a vytvářet konstantní sinusový gravitační vlnový signál, zpomalující rotaci hvězdy a vyzařující energii.
Konstantní signál produkují také páry neutronových hvězd, které se otáčejí kolem sebe. Stejně jako černé díry se tyto hvězdy spirály a nakonec sloučí do výrazného zvuku. Jeho specifičnost se však liší od specifičnosti zvuku černých děr.
Proč hvězdy explodují?
Černé díry a neutronové hvězdy se tvoří, když masivní hvězdy přestanou svítit a zhroutí se do sebe. Astrofyzici si myslí, že tento proces je jádrem všech běžných typů výbuchů supernovy typu II. Simulace takových supernov dosud neprokázaly, proč se vznítily, ale poslouchání výbuchů gravitačních vln vyzařovaných skutečnou supernovou je považováno za odpověď. V závislosti na tom, jak burstové vlny vypadají, jak jsou hlučné, jak často se vyskytují a jak korelují se supernovy sledovanými elektromagnetickými dalekohledy, by tato data mohla pomoci vyloučit spoustu existujících modelů.
Jak rychle se vesmír rozšiřuje?
Expanze vesmíru znamená, že vzdálené objekty, které se vzdálí od naší galaxie, se zdají červenější, než ve skutečnosti jsou, protože světlo, které vydávají, se při pohybu táhne. Kosmologové odhadují rychlost expanze vesmíru porovnáním červeného posunu galaxií s tím, jak daleko jsou od nás. Tato vzdálenost se však obvykle odhaduje na základě jasu supernovy typu Ia a tato technika ponechává mnoho nejistot.
Pokud několik detektorů gravitačních vln na celém světě detekuje signály ze sloučení stejných neutronových hvězd, mohou spolu naprosto přesně odhadnout hlasitost signálu, jakož i vzdálenost, ve které došlo ke sloučení. Budou také schopni posoudit směr as ním i identifikovat galaxii, ve které k události došlo. Porovnáním červeného posunu této galaxie se vzdáleností ke spojujícím se hvězdám lze získat nezávislou rychlost kosmické expanze, možná přesnější, než umožňují současné metody.