Prima detectare directă a undelor gravitaționale este așteptată să fie anunțată pe 11 februarie de către oamenii de știință de la Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Folosind doi detectori giganti LIGO - unul în Livingston, Louisiana și celălalt în Hanford, Washington - oamenii de știință au măsurat ondulările în spațiu care sunt generate de coliziunea a două găuri negre și par să fi găsit în sfârșit ceea ce căutau.
O astfel de afirmație ar confirma valurile gravitaționale prezise de Albert Einstein, pe care a făcut-o parte din teoria sa generală a relativității în urmă cu 100 de ani, dar consecințele nu se vor termina aici. Ca o vibrație a țesăturii spațiului-timp, undele gravitaționale sunt adesea comparate cu sunetul, chiar transformate în piese sonore. Telescoapele cu unde gravitaționale ar permite oamenilor de știință să „audieze” fenomenele în același mod în care telescoapele ușoare le „văd”.
Când LIGO a luptat pentru finanțarea guvernului SUA la începutul anilor 1990, astronomii au fost principalii săi concurenți în audierile congresului. „Atunci s-a crezut că LIGO nu are nicio legătură cu astronomia”, spune Clifford Will, un teoretician al relativității generale de la Universitatea din Florida din Gainesville și unul dintre primii susținători ai LIGO. Dar multe s-au schimbat de atunci.
Bine ați venit în domeniul astronomiei valurilor gravitaționale. Să trecem peste problemele și fenomenele pe care ea le-ar putea dezvălui.
Există cu adevărat găuri negre?
Semnalul preconizat de la anunțul LIGO ar fi putut fi produs de două găuri negre care fuzionează. Evenimente ca acestea sunt cele mai energice cunoscute; forța undelor gravitaționale emise de ele poate eclipsa pe scurt toate stelele universului observat în total. Găurile negre de îmbinare sunt, de asemenea, destul de ușor de interpretat din unde gravitaționale foarte pure.
Video promotional:
Semnalul preconizat de la anunțul LIGO ar fi putut fi produs de două găuri negre care fuzionează. Evenimente ca acestea sunt cele mai energice cunoscute; forța undelor gravitaționale emise de ele poate eclipsa pe scurt toate stelele universului observat în total. Găurile negre de îmbinare sunt, de asemenea, destul de ușor de interpretat din unde gravitaționale foarte pure.
Fuziunea găurilor negre are loc atunci când două găuri negre se învârt în jurul celuilalt, emit energie sub formă de unde gravitaționale. Aceste unde au un sunet caracteristic (chirp) care poate fi utilizat pentru a măsura masa acestor două obiecte. După aceea, găurile negre se îmbină de obicei.
„Imaginează-ți două bule de săpun care se apropie suficient de mult pentru a forma o singură bulă. Bulă mai mare este deformată”, spune Tybalt Damour, un teoretician al gravitației la Institutul de Cercetări Științifice Avansate din Paris. Gaura neagră finală va fi perfect sferică, dar trebuie să emită mai întâi unde gravitaționale de un tip previzibil.
Una dintre cele mai importante implicații științifice ale descoperirii fuziunilor găurilor negre va fi confirmarea existenței găurilor negre - cel puțin obiecte perfect circulare realizate dintr-un spațiu pur, gol, curbat, așa cum se prevede de relativitatea generală. O altă consecință este că fuziunea se desfășoară așa cum au prezis oamenii de știință. Astronomii au o mulțime de dovezi indirecte ale acestui fenomen, dar până acum acestea au fost observații ale stelelor și gazelor supraîncălzite pe orbita găurilor negre, și nu a găurilor negre în sine.
„Comunitatea științifică, inclusiv eu, nu-i plac găurile negre. Le luăm de la capăt”, spune Frans Pretorius, specialist în simulări de relativitate generală la Universitatea Princeton din New Jersey. „Dar dacă vă gândiți la ce prezicere este uimitoare, avem nevoie de dovezi cu adevărat uimitoare”.
Undele gravitaționale se mișcă cu viteza luminii?
Când oamenii de știință încep să compare observațiile LIGO cu cele ale altor telescoape, primul lucru pe care îl verifică este dacă semnalul a ajuns în același timp. Fizicienii cred că gravitația este transmisă de particule gravitonice, analogul gravitațional al fotonilor. Dacă, la fel ca fotonii, aceste particule nu au nicio masă, atunci undele gravitaționale se vor deplasa cu viteza luminii, în concordanță cu predicția vitezei undelor gravitaționale în relativitatea clasică. (Viteza lor poate fi influențată de expansiunea accelerată a Universului, dar aceasta ar trebui să se manifeste la distanțe care depășesc semnificativ cele acoperite de LIGO).
Este însă foarte posibil ca gravitonele să aibă o masă mică, ceea ce înseamnă că undele gravitaționale se vor deplasa cu o viteză mai mică decât lumina. Așadar, de exemplu, dacă LIGO și Fecioara detectează undele gravitaționale și află că undele au ajuns pe Pământ mai târziu decât asociate cu un eveniment cosmic de raze gamma, acest lucru ar putea avea consecințe fatidice pentru fizica fundamentală.
Spațiul este făcut din șiruri cosmice?
O descoperire chiar mai ciudată s-ar putea întâmpla dacă sunt detectate explozii de unde gravitaționale emanate de „șirurile cosmice”. Aceste ipotetice defecte de curbură spațiu-timp, care pot fi sau nu legate de teoriile șirurilor, ar trebui să fie infinit de subțiri, dar întinse la distanțe cosmice. Oamenii de știință prezic că șirurile cosmice, dacă există, s-ar putea îndoi accidental; dacă șirul se îndoaie, va provoca o supratensiune gravitațională pe care detectoare precum LIGO sau Fecioara le-ar putea măsura.
Poate fi zgomotoase stelele neutronice?
Stelele neutronice sunt rămășițele stelelor mari care s-au prăbușit sub propria greutate și au devenit atât de dense încât electronii și protonii au început să se topească în neutroni. Oamenii de știință nu prea au înțeles fizica găurilor de neutroni, dar undele gravitaționale ar putea spune multe despre ele. De exemplu, gravitația intensă pe suprafața lor face ca stelele neutronice să devină aproape perfect sferice. Însă unii oameni de știință au sugerat că ar putea avea și „munți” - câțiva milimetri înălțime - care fac ca aceste obiecte dense, cu diametrul de 10 kilometri, să nu fie mai puțin ușor asimetrice. Stelele neutronice tind să se învârtă foarte repede, astfel încât o distribuție de masă asimetrică va încolți spațiul timpului și va produce un semnal de undă gravitațională sinusoidală constantă, încetinind rotația stelei și energia radiatoare.
Perechile de stele cu neutroni care se învârt în jurul celuilalt produc, de asemenea, un semnal constant. Ca și găurile negre, aceste stele spirală și în cele din urmă se contopește într-un sunet distinctiv. Însă specificul său diferă de specificul sunetului găurilor negre.
De ce explodează stelele?
Gurile negre și stelele neutronice se formează atunci când stelele masive încetează să strălucească și se prăbușesc în ele însele. Astrofizicienii cred că acest proces se află în centrul tuturor tipurilor comune de explozii de supernove de tip II. Simulările unor astfel de supernove nu au arătat încă de ce se aprind, dar ascultarea exploziilor de unde gravitaționale emise de o adevărată supernovă se crede că oferă un răspuns. În funcție de cum arată undele de explozie, cât de tare sunt, cât de des apar și cum se corelează cu supernovele urmărite de telescoape electromagnetice, aceste date ar putea ajuta să excludă o mulțime de modele existente.
Cât de rapid se extinde universul?
Extinderea universului înseamnă că obiectele îndepărtate care se îndepărtează de galaxia noastră apar mai roșu decât sunt de fapt, întrucât lumina pe care o emit se întinde pe măsură ce se mișcă. Cosmologii estimează rata de extindere a universului prin compararea redshift-ului galaxiilor cu cât de departe sunt de noi. Dar această distanță este estimată de obicei din luminozitatea supernovelor de tip Ia, iar această tehnică lasă o mulțime de incertitudini.
Dacă mai mulți detectori de unde gravitaționale din întreaga lume detectează semnale de la fuziunea acelorași stele neutronice, împreună pot estima cu exactitate sunetul semnalului și odată cu aceasta distanța la care a avut loc fuziunea. De asemenea, vor putea evalua direcția și, odată cu aceasta, să identifice galaxia în care a avut loc evenimentul. Comparând redshift-ul acestei galaxii cu distanța până la stelele care fuzionează, se poate obține o rată independentă de expansiune cosmică, posibil mai exactă decât își permit metodele actuale.
