Šeši kosmoso klausimai, į kuriuos padėtų atsakyti gravitacinių bangų atradimas

Mokslininkai tikisi, kad ketvirtadienį bus pirmą kartą pranešta apie gravitacinių bangų atradimą LIGO (Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) instrumentu. Spėjama, kad gravitacinės bangos buvo aptiktos iš dviejų juodųjų skylių susijungimo.

Toks pranešimas indikuotų ne tik tai, kad Alberto Einsteino bendrosios reliatyvumo teorijos hipotezė apie gravitacines bangas yra teisinga, bet padėtų išspręsti ir kai kurias painias fizikos ir kosmologijos mįsles.

Kosminiame erdvėlaikyje vibruojančios gravitacinės bangos dažnai lyginamos su garsu. Jos gali būti paverstos į garso fragmentus, todėl gravitacinių bangų teleskopais mokslininkai jas galėtų ne tik „pamatyti“ šviesai jautriais teleskopais, bet ir „išgirsti“.

Nature.com pateikia šešis mokslo klausimus, kuriuos padėtų gvildenti gravitacinių bangų atradimas.

Supernova / NASA/CXC/M. Weiss iliustr.

Ar juodosios skylės iš tiesų egzistuoja?

Mokslo bendruomenėje sklando kalbos, kad signalas, kurio atradimo laukiama iš LIGO mokslininkų, galėjo būti užfiksuotas iš dviejų besijungiančių juodųjų skylių.

Tokių įvykių metu sukuriama daugiausiai energijos – gravitacinių bangų energija, kuri gali susidaryti juodųjų skylių susijungimo metu, trumpą laiką būtų panaši į visų regimoje Visatoje matomų žvaigždžių gravitacinę energiją. Be to, juodųjų skylių jungimosi metu išgaunami švariausi, lengviausiai interpretuojami signalai.

Juodųjų skylių susijungimas įvyksta, kai dvi juodosios bedugnės spirale ima suktis viena aplink kitą, spinduliuodamos energiją gravitacinių bangų pavidalu. Šios bangos skleidžia garsus (angl. svirp), kurie gali padėti paskaičiuoti juodųjų skylių masę.

Vėliau juodosios skylės susijungia. Iš jų susidariusi viena juodoji skylė tampa idealios sferinės formos, tačiau iš pradžių, spėjama, ji skleidžia gravitacines bangas.

Viena svarbiausių juodųjų skylių susijungimo atradimo pasekmių būtų patvirtinimas, kad jos iš tiesų egzistuoja, kaip numatyta bendrojoje reliatyvumo teorijoje.

Kita svarbi pasekmė – įrodymas, kad susijungimai vyksta taip, kaip nuspėta. Astronomai turi labai daug netiesioginių juodųjų skylių susijungimo įrodymų, tačiau visi jie gauti iš žvaigždžių ir stipriai įkaitintų dujų, kurios supa juodąsias skyles, stebėjimų, o ne juodųjų skylių.

„Mokslo bendruomenė, įskaitant ir mane, juodąsias skyles laiko savaime suprantamu dalyku, – sakė Fransas Pretoriusas, bendrosios reliatyvumo teorijos simuliacijų specialistas iš Prinstono universiteto. – Tačiau pagalvojus, koks stulbinantis šis spėjimas, mums reikia ir stulbinančių įrodymų.“

Ar gravitacinės bangos juda šviesos greičiu?

Kai mokslininkai ims lyginti LIGO duomenis su kitų tipų teleskopų duomenimis, pirmiausiai jie patikrins, ar signalus gavo tuo pat metu. Fizikai kelia hipotezę, kad gravitaciją perneša dalelės, vadinamos gravitonais (gravitacijos analogas šviesos nešėjams fotonams).

Jeigu, kaip ir fotonai, šios dalelės neturi masės, gravitacinės bangos turėtų judėti šviesos greičiu ir sutapti su bendrojoje reliatyvumo teorijoje numatytu spėjimu.

Tačiau taip pat tikėtina, kad gravitonai turi nedidelę masę ir juda mažesniu nei šviesos greičiu. Taigi jei gravitacinės bangos bus aptiktos LIGO ir „Virgo“ teleskopais, ir bus nustatyta, kad iš konkretaus kosminio įvykio bangos Žemę pasiekė vėliau, nei su tuo pačiu kosminiu reiškiniu susiję rentgeno spindulių pliūpsniai, aptikti įprastiniais teleskopais, tai galėtų turėti svarbių pasekmių mūsų fundamentalios fizikos suvokimui.

Ar erdvėlaikį sudaro kosminės stygos?

Dar keistesnis atradimas būtų, jei mokslininkai praneštų, kad gravitacinės bangos aptiktos iš „kosminių stygų“. Šie hipotetiniai defektai išlinkusiame erdvėlaikyje, kurie nebūtinai privalo būti susiję su stygų teorija, manoma, būtų labai maži, tačiau kosmose tęstųsi ilgus atstumus.

Mokslininkai spėja, kad kosminės stygos, jei jos egzistuoja, kartais turėtų sukurti kilpas: energijos paveiktos stygos galėtų generuoti staigų gravitacinių bangų pliūpsnį, kuriuos turėtume užfiksuoti LIGO ir „Virgo“ detektoriais.

Ar neutroninės žvaigždės turi nelygų paviršių?

Neutroninės žvaigždės yra didesnių žvaigždžių liekanos, kurios kolapsuoja dėl jų pačių svorio ir tampa tokios tankios, kad priverčia žvaigždes sudarančius elektronus ir protonus virsti neutronais.

Neutroninės žvaigždės yra menkai suprastos, tačiau gravitacinės bangos galėtų suteikti unikalių įžvalgų. Pavyzdžiui, intensyvi gravitacija jų paviršiuje gali neutronines žvaigždes paversti beveik idealios sferinės formos objektais. Tačiau kai kurie tyrėjai teigia, kad jose gali būti iškilimų.

Neutroninės žvaigždės dažniausiai sukasi itin greitai, taigi asimetriškas masės pasiskirstymas gali deformuoti erdvėlaikį ir sukurti pastovų gravitacinių bangų signalą. Dėl gravitacinių bangų spinduliavimo žvaigždės sukimasis galėtų sulėtėti.

Viena aplink kitą besisukančios neutroninių žvaigždžių poros taip pat turėtų skleisti nepertraukiamą gravitacinių signalą. Visai kaip juodosios skylės, žvaigždės suktųsi spirale viena aplink kitą ir susijungtų, kartais sukurdamos girdimą čirškesnį.

Tačiau jų likimas dramatiškai skirtųsi nuo besijungiančių juodųjų skylių – pavyzdžiui, jos gali tapti viena didele neutronine žvaigžde arba akimirksniu kolapsuoti, pavirsdamos į juodąją bedugnę.

Kodėl žvaigždės sprogsta?

Juodosios skylės ir neutroninės žvaigždės susiformuoja, kai masyvios žvaigždės liaujasi švytėti ir kolapsuoja. Astrofizikai mano, kad šis procesas yra įprastinių supernovų varomoji jėga.

Tokių supernovų simuliacijos kol kas dar neparodė, kas jas įkaitina, tačiau išgirdus gravitacinių bangų pliūpsnius, kuriuos, manoma, generuoja supernovos, tikėtina rasti atsakymą.

Priklausomai nuo to, kokia yra gravitacinių bangų pliūpsnių forma, kokius garsus šie pliūpsniai skleidžia, kaip dažnai jie įvyksta ir kaip koreliuoja su elektromagnetinių teleskopų duomenimis, gauti duomenys padėtų patvirtinti arba paneigti įvairius egzistuojančius modelius.

Kaip greitai Visata plečiasi?

Visatos plėtimasis lemia, kad tolimi objektai, kurie tolsta nuo mūsų, atrodo rausvesni, nei yra iš tikrųjų, nes jų generuojama šviesa dėl objektų judėjimo ištįsta.

Kosmologai Visatos plėtimosi greitį nustato matuodami šį raudonąjį galaktikų poslinkį su numanomu galaktikų nuotoliu. Tačiau šis atstumas dažniausiai matuojamas remiantis „Type la“ supernovomis, kurios kelia daug neatsakytų klausimų.

Jeigu keli gravitacinių bangų detektoriai aptiktų signalus iš tos pačios neutroninių žvaigždžių poros susijungimo, kartu jie galėtų parodyti ir absoliutų signalo „garsumą“, kuris indikuotų, kokiu atstumu nuo mūsų įvyko susijungimas.

Jie taip pat galėtų padėti nustatyti ir signalo kryptį, o pagal tai astronomai nuspėtų, kokioje galaktikoje įvyko susijungimas.

Raudonojo poslinkio palyginimas su susijungimo atstumu galėtų suteikti nepriklausomą kosminio plėtimosi greičio įvertinimą, greičiausiai daug tikslesnį, nei dabartinių metodų.