Atklājumi.lv

Leģendārs atklājums astrofizikā: zinātnieki pirmo reizi novēro gravitācijas viļņus

Gravitācijas viļņu eksistence teorētiski zināma jau veselu gadsimtu, – kopš 1916.gada, kad to eksistenci paredzēja Alberts Einšteins. Tomēr vēl ilgus gadus gravitācijas viļņi bija fiziķu svētais grāls – mērinstrumentu precizitātes ierobežojumi neļāva tos tiešā veidā pierādīt. Beidzot, 100 gadus pēc relativitātes teorijas publicēšanas, zinātniekiem ir izdevies praksē novērot gravitācijas viļņus, tā apstiprinot Einšteina paredzējumu. Preses konferencēs šis atklājums jau vairākkārt nodēvēts par gadsimta notikumu astrofizikā un par nozīmīgāko atklājumu kopš reliktstarojuma pierādīšanas. 

Kas tad īsti ir gravitācijas viļņi?

Pēc teorijas gravitācijas viļņi ir enerģiju pārnesoši šķērsviļņi, kurus noteiktos apstākļos rada paātrinātā kustībā esoši masīvi ķermeņi vai to formas izmaiņas. Spēcīgu gravitācijas viļņu avoti ir tādas lielas kosmiskās kataklizmas kā pārnovu sprādzieni, neitronu zvaigžņu, kā arī melno caurumu sadursmes, taču gravitācijas viļņi, gan vairākas kārtas mazāki, rodas arī tādu objektu kā Saules sistēmas ķermeņu mijiedarbībā.

Ideju par gravitācijas viļņu eksistenci, pamatojoties uz savu vispārīgās relativitātes teoriju, pirmo reizi 1916.gadā izteica Alberts Einšteins. Tomēr zinātnieks, vadoties no sava laika tehnoloģiju iespējām, kā arī matemātiski izsecinātā fakta, ka gravitācijas radītais viļņojums ir teju nemanāms, uzskatīja, ka praksē tos pierādīt neizdosies.

Pēc Einšteina teorijas, gravitācija var ieliekt laiktelpu (3 dimensiju telpa + laiks). Jo lielāks objekts, jo lielāks izliekums rodas. Masīviem objektiem kustoties Visumā, rodas svārstības laiktelpā. Tās līdzinās viļņiem, kas veidojas aiz kustībā esoša kuģa. Šīs svārstības tad arī ir daudz apspriestie gravitācijas viļņi.

Šeit gan jānorāda, ka atklātie gravitācijas viļņi, kā daļa lasītāju varbūt iedomājās, izlasot virsrakstu, nebūt nav jau sen meklētie gravitoni jeb pastāvīgā gravitācijas spēka nesēji. Piemēram, uz Zemes un citām planētām novērojamās gravitācijas daba, kas gaisā uzmestam akmenim liek krist atpakaļ uz metēja galvas vai arī Mēness ietekmē notiekošās Zemes gravitācijas lauka izmaiņas, kas izraisa paisumus un bēgumus, joprojām ir noslēpums, zinātniska mīkla, kas teorētiski tiek skaidrota gan ar lielas masas objektu radītu laiktelpas izliekumu kā tādu (pieņemot, ka gravitācijai vispār nav viļņu), gan arī ar īpaša, pagaidām ar mērierīcēm nekonstatēta lauka (starojuma) pastāvēšanu.

Pirmo reizi gravitācijas viļņu eksistenci netieši izdevās pierādīt amerikāņu fiziķiem Džozefam Teiloram (Joseph Taylor) un Raselam Halsam (Russell Hulse). Vispirms viņi 1974.gadā atklāja bināro sistēmu, kurā pulsārs griezās orbītā ap otru, nepulsējošu neitronu zvaigzni, bet pēc tam, 1982.g., pierādīja, ka pulsāra orbīta ar laiku pamazām samazinās, to skaidrojot ar enerģijas atbrīvošanu gravitācijas viļņu formā. Par saviem atklājumiem pētnieki 1993.gadā saņēma Nobela prēmiju.

Mēģinājumi atklāt gravitācijas viļņus tiešos mērījumos aizsākās 20.gadsimta 60.gados. Sākotnēji tos mēģināja uztvert, izmantojot rezonanses masas stieņa detektoru, vēlāk – lāzera interferometriju un citas metodes. Diemžēl neviens no mēģinājumiem līdz šim nesniedza pozitīvu iznākumu.

Tagad, pateicoties mūsdienu tehnoloģijām, aparatūras neseniem uzlabojumiem un starptautiskai speciālistu sadarbībai, zinātniekiem, pēc ilgu gadu darba, beidzot ar tiešiem mērījumiem ir izdevies pierādīt gravitācijas viļņu eksistenci.

Nozīmīgo atklājumu veikuši „Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory” jeb LIGO (ASV) zinātnieku komanda sadarbībā ar pētniekiem no Kalifornijas Tehnoloģiju institūta (ASV) un Masačūsetsas Tehnoloģiju institūta. Atklājuma rezultāti publicēti žurnālā „Physical Review Letters”.

Pētnieku veiktie aprēķini un datorsimulācijas liecina, ka novērotie gravitācijas viļņi radušies divu melno caurumu mijiedarbības rezultātā, kas notikusi aptuveni 1,3 miljardu gaismas gadu attālumā no Zemes. Pirms sadursmes melnie caurumi riņķojuši viens ap otru ar ātrumu, kas tuvs gaismas ātrumam. Abi melnie caurumi bijuši līdzīgas masas: viens no tiem 36 reizes smagāks par Sauli, bet otrs – 29 reizes. Sadursmes brīdī enerģijā, daļa no kuras atbrīvojās gravitācijas viļņu veidā, tika pārvērsts aptuveni 3 Saules masām pielīdzināms matērijas daudzums.

„Lielākā enerģijas daļa tika atbrīvota dažu sekundes desmitdaļu laikā. Īsu brīdi sprādziena reālā jauda ir bijusi lielāka, nekā visai Visuma gaismai kopā ņemot,” milzīgo sadursmes spēku aprakstījis pētījuma dalībnieks Pīters Fritšels (Peter Fritschel).

Pēc abu melno caurumu sadursmes gravitācijas viļņi, deformējot laiktelpu, izplatījušies Visumā. Zemi viļņi sasniedza vairāk nekā miljards gadu pēc to rašanās brīža – zinātnieku mērierīces tos fiksēja 2015.gada 14.septembrī. Pagaidām atklajumi.lv gan neizdevās noskaidrot, kāda ir šāda notikuma novērošanas biežuma iespējamība – vai mēs esam piedzīvojuši kaut ko ārkārtīgi unikālu vai tomēr Visuma mērogā samērā ikdienišķu parādību?

No pērnā gada septembra līdz pat šī gada februārim zinātnieki rūpīgi strādāja pie iegūto datu analīzes, lai pārliecinātos, ka šķietamais novērojums nav maldīgs. Visbeidzot 2016.gada 11.februārī LIGO pētnieku komanda paziņoja, ka leģendārais atklājums patiešām ir veikts – gravitācijas viļņi pierādīti praksē.

Gravitācijas viļņu pētījumos zinātnieku komanda izmantoja lāzeru interferometru detektorus, ierīces, kas spēj uztvert visniecīgākās gravitācijas viļņu radītās vibrācijas. Detektorus veido 4km gari L formas zari, kuros pa caurulēm vakuumā ceļo sadalīti lāzera stari. Stari tiek izmantoti, lai īpaši precīzi mērītu attālumu starp zaru galos novietotiem spoguļiem. Atbilstoši Einšteina teorijai, ja ierīci sasniegs gravitācijas vilnis, šis attālums, laiktelpai saspiežoties vai izstiepjoties, izmainīsies. Taču Einšteins, kā jau augstāk teikts, domāja, ka radušās izmaiņas būs tik niecīgas, ka tās nekad neizdosies izmērīt.

LIGO uztvērēju darbības diapazons ir no 10 līdz 1000 Hz. Citiem vārdiem – tie spēj noteikt izmaiņas, kas ir 10,000 reižu mazākas par protona (daļiņa, kas parasti atrodas atoma centrā) diametru (10^-19 metri). Bet pats protons jau ir 100,000 reižu mazāks par atomu... Uztverto viļņu frekvence bija no 35 līdz 250 Hz. Lai saprastu, cik neiedomājami mazi ir šie izmēri, varam iedomāties, ka LIGO uztvertie gravitācijas viļņi radīja izmaiņas, kas ir pielīdzināmas attāluma no Zemes līdz tuvākajai ārpus Saules sistēmas esošai zvaigznei samazinājumam par viena mata platumu...

Saprotams, ka tik jūtīga ierīce var reaģēt arī uz dažādiem vides trokšņiem – smagā transporta radītu vibrāciju, seismiskiem signāliem, utml. Tāpēc LIGO projekts izmanto divas, vienu no otras tālu novietotas, identiskas observatorijas. Viena no observatorijām atrodas Henfordā ASV ziemeļrietumos (Vašingtonas štats), bet otra – Livingstonā (Luiziānas štats), valsts dienvidos.

Gravitācijas viļņus abi detektori noteica 2015.gada 14.septembrī plkst. 9:51 pēc universālā koordinētā laika (UTC). Laika atšķirība, signālu vispirms uztverot Livingstonā, bija 7 milisekundes, kas gandrīz atbilst laikam (apmēram 10 milisekundēm), kas gaismai nepieciešams, lai pārvarētu attālumu no vienas observatorijas līdz otrai. Tas liecina, ka gravitācijas viļņi izplatās ar gaismas ātrumu vai pat ir nedaudz par to ātrāki. Tā kā signāls tika uztverts tikai divos detektoros (pasaulē ir vēl divi darbojošies lāzera interferometri – Pizā, Itālijā un Hanoverē, Vācijā, taču abi tobrīd bija izslēgti uzturēšanas darbu veikšanai.), tad nebija iespējams noteikt tā avota precīzu lokalizāciju. Skaidrs ir tikai tas, ka signāls nāca no debesu dienvidu puslodes, aptuveni no Magelāna mākoņu reģiona.

Līdz ko gravitācijas signāls tika uztverts, zinātnieki to pārveidoja skaņas viļņu formātā, iegūstot ierakstu ar skaņu (klausīties ŠEIT), kas rodas, saduroties diviem melnajiem caurumiem un pēc tam saplūstot vienā lielā melnajā caurumā.

Papildus tam, ka iegūtie rezultāti ļāva pierādīt to, kas ilgi tika uzskatīts par neiespējamu, atklājums pierāda arī melno caurumu eksistenci. Tiesa gan, par to pastāvēšanu Visumā fiziķi nešaubās jau sen, taču līdz šim ārpus teorijas viņiem trūka reālu pierādījumu. Novērotā sadursme melno caurumu eksistenci tagad neapgāžami pierādījusi. Turklāt mērījumi liecina, ka melnie caurumi atbilst raksturojumam, kādu tiem iepriekš bija sniegusi teorija.

Šim atklājumam ir milzu nozīme ne tikai tāpēc, ka beidzot rasts tiešs apstiprinājums Einšteina paredzējumam. Atklājums paver milzīgas iespējas tālākiem eksperimentiem un pētījumiem, kas saistīti ar Visuma rašanos un citiem astrofizikas pētījumiem. Domājams, ka nākotnē jauni lāzera inferometri ar daudz garākiem zariem tiks būvēti kosmosā, kur nav Zemes ģeoloģisko procesu un antropogēno aktivitāšu radītu traucējumu. Jau tagad šādas ierīces prototipu izstrādā Eiropas kosmosa aģentūra. Šādi kosmiskie detektori spēs uztvert daudz vājākus, daudzveidīgākus un no lielāka attāluma nākošus signālus.

„Gravitācijas viļņu atklāšana paver pavisam jaunu astrofizikas pētījumu lauku. Līdz šim mēs uz debesīm skatījāmies ar teleskopiem un pētījām gaismu, radio viļņus un rentgenstarus. Gravitācijas viļņu pētniecība ir pavisam jauns veids, kā iepazīt mūsu visumu,” - milzīgo atklājuma potenciālu uzsvēris Metjū Evans (Matthew Evans) no Masačūsetsas Tehnoloģiju institūta.

Augšējais attēls: Melno caurumu saplūšana. SXS (Simulating eXtreme Spacetimes) projekta publicitātes attēls.

Avoti:

ligo.caltech.edu
sciencedaily.com
news.mit.edu
lv.wikipedia.org
sciencedaily.com
journals.aps.org
quora.com
fizmati.lv
agenskalns.lv

Brīvpieejas materiāls. Pārpublicēt atļauts tikai ievērojot ŠOS NOTEIKUMUS.