Gravitacinės bangos

Gravitacinė banga yra labai silpnas gravitacinio lauko trikdis, kurį sukelia didelės masės kūnų judėjimas su pagreičiu. Šie trikdžiai erdvėje sklinda šviesos greičiu, nešdami energiją. Gravitacinės bangos sutikusios kliūtį, sukelia jos virpesius (deformacijas). Gravitacines bangas sukuria labai intensyvūs tolimosios Visatos įvykiai, pavyzdžiui, juodųjų skylių susiliejimai arba supernovų sprogimai. Gravitacines bangas taip pat spinduliuoja ir dvinarės žvaigždės. Albertas Einšteinas gravitacinių bangų egzistavimą numatė 1916 m. bendrojoje reliatyvumo teorijoje.

Teorinis pagrindas

Hipotetinė gravitacinės bangos kvanto dalelė, tai gravitonas. Gravitacinių bangų egzistavimas išplaukia iš bendrosios reliatyvumo teorijos, kurios lygtys yra netiesinės. Jų sprendiniai nesudaro tiesinės erdvės, dėl ko joms negalioja superpozicijos principas – jas daug sunkiau išspręsti negu Maksvelo lygtis. Kitas iš netiesiškumo plaukiantis požymis – bangos sąveikauja ne tik su materija, bet ir tarpusavyje, šio tipo bangų interferencija visiškai skirtinga nei elektromagnetinių bangų.

Netiesioginis įrodymas

Silpnų gravitacinių bangų lygtis galime aproksimuoti iki tiesinio pavidalo. Skaičiavimai tampa daug paprastesni. Tas leido modeliuoti gravitacinių bangų įtaką neutroninėms žvaigždėms. Gautas rezultatas parodė, jog du greitai judantys vienas aplink kitą kūnai bus stabdomi dėl energinės emisijos gravitacinių bangų pavidalu. Šį reiškinį netiesiogiai pastebėjo Russell Hulse ir Joseph Taylor. Dviejų neutroninių žvaigždžių judėjimo matavimai tiksliai sutapo su teoriškai numatytais. Už šį atradimą abu mokslininkai 1993 metais gavo fizikos Nobelio premiją.
1999 metais ROSAT kosminė observatorija užregistravo rentgeno spinduliuotės šaltinį, pažymėtą J0806. Tolesni stebėjimai parodė, kad objektas tai dvinarė baltųjų nykštukių sistema.
Nuo 2004 m. Sausio 6 d. iki lapkričio 22 d. Chandra kosminės observatorijos J0806 objekto stebėjimai minkštųjų rentgeno bangų diapazone parodė spinduliuotės pokyčių dažnį lygu 3,1101380±0,0000000006×10⁻³ Hz. Astronomų pasiūlyta hipotezė - J0806, tai dviejų ypač arti esančių baltųjų nykštukių sistema, kurios periodas 5 min 21,53s.
Atstumas tarp jų 80 000 km – ketvirtis atstumo tarp Žemės ir Mėnulio. Greitis orbitoje 800 km/s, o masė lygi pusei Saulės masės. Toks greitas sunkių objektų judėjimas bendrame gravitaciniame lauke turėtų sukelti mechaninės energijos praradimą gravitacinių bangų pavidalu.
Tikslūs matavimai parodė, kad spinduliavimo intensyvumo kitimo dažnis kiekvieną sekundę sumažėja per 3,77±0,8×10⁻¹⁶ Hz. Per tūkstantmetį orbitinis periodas sumažėja 1,23 s. Gravitacinių bangų pavidalu spinduliuojama galia lygi 1,5 ×10³² W. Jų energija spinduliuojama per vieną sekundę yra 400 000 kartų didesnė nei visa Saulės generuojama energija.

Tiesioginiai stebėjimai

Iki 2016 m. nepavyko aptikti iš kosminės erdvės sklindančių gravitacinių bangų. Sklindant tokiai bangai skersai Žemės, visi planetoje esantys kūnai turėtu akimirksniu išsitempti ir susitraukti. Pavyzdžiui, kūno, kurio ilgis 400 km, deformacija turėtų būti mažesnė negu 10⁻¹⁹ m eilės. Tokie maži dydžiai apsunkina gravitacinių bangų aptikimą, nes be deformacijos sukeliamo pokyčio matavimo neįmanoma yra įrodyti jų egzistavimo. Gravitacinių bangų detektorių galima būtų pagaminti panaudojus lazerinį interferometrą.
2016 m. vasario 11 d. paskelbta, kad LIGO mokslininkai pirmą kartą istorijoje užfiksavo, kaip dvi susiliejančios juodosios bedugnės už milijardų šviesmečių nuo žemės sukuria gravitacines bangas.
2017 m. rugpjūčio 17 d. LIGO ir Virgo gravitacinių bangų detektoriai užregistravo naują signalą, atsiradusį dėl dviejų neutroninių žvaigždžių susiliejimo. Jis buvo pavadintas GW170817. Skirtingai nuo ankstesnių signalų, jo padėtį pavyko tiksliai lokalizuoti - maždaug po 1,74 sekundės buvo užregistruotas gama žybsnis pavadintas GRB 170817A, o po 10,86 valandų galaktikoje NGC 4993 buvo aptiktas ryškus šaltinis ir optiniame diapazone. Manoma, kad tokio tipo susiliejimai yra atsakingi už gama spindulių žybsnius, stebimus įvairiomis kryptimis danguje. Užregistravus gama žybsnio pradžią, šį kartą pavyko įvertinti ir gravitacinių bangų sklidimo greitį. Jis lygus šviesos greičiui, su paklaida mažesne nei .

Superlaidininkų hipotezė

2002 m. Princeton Universiteto mokslininkas Raymond Y. Chiao pasiūlė hipotezę, teigiančią, kad superlaidininkas gali pakeisti atitinkamą mikrobanginės spinduliuotės tipą į gravitacines bangas. Jis taip pat teigė, kad galimas ir atvirkštinis pakitimas. Gravitacinės bangos gali superlaidininke sukelti elektromagnetinę spinduliuotę. Chiao hipotezė pagrįsta teiginiu, kad gravitacines bangos nusako priklausomybės panašios į Maksvelo lygtis.
Atlikti eksperimentai, kurie ir paneigia ir patvirtina šią hipotezę. Jei ji pasiteisins, gravitacines bangas galima būtų panaudoti informacijos perdavimui pro Žemės centrą, nes įprasta medžiaga jų nesugeria. Tačiau jų detektoriumi gali būti tik stipriai atšaldytas superlaidininkas, kas apsunkintų bangų panaudojimą kaip informacijos perdavimo priemonę.