Gravitatsioonilained

Gravitatsioonilainete allikad

Gravitatsioonilainete allikateks on üldiselt kõik liikuvad massiivsed objektid, eeldusel, et nende liikumine ei ole sfääriliselt sümmeetriline (nagu paisuv või kokkutõmbuv kera) või pöördsümmeetriline (nagu pöörlev ketas). 
Sellise põhimõtte lihtsaks näiteks on pöörlev hantel. Kui hantel keerleb ümber oma sümmeetriatelje, siis see ei tekita gravitatsioonilaineid. Kui hantel veereb üle otsa, kiirgab ta gravitatsioonilaineid nagu süsteem kahest planeedist, mis tiirlevad ümber sama punkti. Mida raskem on hantel ja mida kiiremini ta tiirleb, seda suurem on gravitatsioonikiirgus.
Ka inimesed, autod ja lennukid tekitavad gravitatsioonilaineid, kuid need on liiga nõrgad selleks, et neid märgata. Meil ei ole võimalik teha seadmeid, mis paneks objekti nii kiiresti pöörlema, et oleks võimalik tema gravitatsioonilaineid avastada – isegi kõige vastupidavam materjal laguneb laiali nii suurel kiirusel. Seega ainuke võimalus gravitatsioonilainete uurimiseks on vaadelda Universumi piirkondi, kus need tekivad looduslikult. Universum on täis massiivseid kehi, mis liiguvad kiirendustega, näiteks mustade aukude ja neutrontähtede kaksiksüsteemid või tähed oma elutsükli lõpus.
Selleks et mõista, mis tüüpi gravitatsioonilaineid erinevad objektid tekitavad, on LIGO teadlased kindlaks määranud neli gravitatsioonikiirguse kategooriat. Igal gravitatsioonilaine tüübil on unikaalne "sõrmejälg" või vibratsiooni tunnus, mida interferomeetrid tunnevad ja mida uurijad otsivad LIGO andmestikust. Need kategooriad on: pidevad gravitatsioonilained (inglise Continuous Gravitational Waves), kompaktsete kaksiksüsteemide kokkutiirlemise gravitatsioonilained (inglise Compact Binary Inspiral Gravitational Waves), stohhastilised gravitatsioonilained (inglise Stochastic Gravitational Waves) ja plahvatuslikud gravitatsioonilained (inglise Burst Gravitational Waves).

Pidevad gravitatsioonilained

Üksikud pöörlevad massiivsed ebasümmeetrilised objektid kiirgavad pidevaid gravitatsioonilaineid, näiteks neutrontäht. Gravitatsioonilained tekivad köbrukeste või tähe sfäärilise kuju puudujääkide tõttu. Kui tähe pöörlemise määr jääb samaks, jäävad samaks ka gravitatsioonilainete omadused. See tähendab, et gravitatsioonilainel on pidevalt sama sagedus ja amplituud (nagu laulja, kes hoiab sama nooti), seepärast neid nimetatakse pidevateks gravitatsioonilaineteks.

Kompaktsete kaksiksüsteemide kokkutiirlemise gravitatsioonilained

Selliseid laineid kiirgavad massiivsete ja tihedate (kompaktsete) kehade teineteise ümber tiirlevad paarid nagu valgete kääbuste, mustade aukude ja neutrontähtede kaksiksüsteemid.
Kui tihedad kompaktsed objektid tiirlevad teineteise ümber, kiirgavad nad gravitatsioonilained. Need kannavad süsteemist liikumise energiat (energia, mis hoiab neid põrkumisest). Üle miljardi aasta tiirelnud objektid kaotavad nii palju energiat, et nad liiguvad üksteisele lähemale. Lähenemine põhjustab tiirlemise kiirenemist, mistõttu need objektid tekitavad rohkem tugevamaid gravitatsioonilaineid, selle tulemusena need objektid kaotavad rohkem energiat, lähenevad veel ja nende tiirlemise kiirus kasvab, nad kaotavad rohkem energiat, lähenevad veel ja sama protsess kordub. Gravitatsioonilainete kiirgamise protsess määrab ära sündmustejada lõpu, kus kaks objekti põrkuvad, põhjustades ühe Universumi sündmuse.

Stohhastilised gravitatsioonilained

Universumis on vähe olulisi pidevate või kaksiksüsteemide poolt kiiratud inaarsete gravitatsioonilainete allikaid, seega on vähetõenäoline, et nende gravitatsioonilained läbivad Maad samal ajal ja tekitavad segase signaali detektoris. Kuid on teada, et Universumist tuleb kogu aeg palju väikeseid gravitatsioonilaineid, mis on omavahel segamini. Need väikesed lained igast suunast moodustavad niinimetatud stohhastilise signaali. Need on nõrgad ja raskemini avastatavad gravitatsioonilained. On võimalik, et vähemalt osa sellest stohhastilisest signaalist võib pärineda Suurest Paugust. Nende lainete avastamine võimaldab näha kaugemale kui kunagi varem tagasi Universumi ajalukku.

Plahvatuslikud gravitatsioonilained

LIGO teadlased nimetavad plahvatuslikeks gravitatsioonilaineteks kõiki gravitatsioonilaineid, mida ei ole veel avastatud ja mille omadused ei ole teada. Selliste gravitatsioonilainete tuvastamine oleks meeldivaks üllatuseks. Mõnikord ei ole füüsika teadusel piisavalt palju informatsiooni, et ennustada, kuidas selle allika gravitatsioonilained ilmuvad. Teadlased loodavad avastada gravitatsioonilaineid sellistest süsteemidest, millest ei oldud varem teadlikud. Selliste gravitatsioonilainete otsimiseks ei saa ennustada omadusi nagu eelmiste gravitatsioonilainete puhul. See tähendab, et teadlased ei piira oma analüüsi modelleeritud või eeldatud signaaliga, see teeb plahvatuslike gravitatsioonilainete otsingud väga keeruliseks. Uute gravitatsioonilainete avastamine võimaldab saada uuelaadset informatsiooni Universumi kohta, mida muul viisil ei pruugi kunagi teada saada.