Gravitatsioonilained

pisi|Kaks LIGO teadlast püüavad seadmeriket parandada (2019)
pisi|Gravitatsioonilainete spekter, allikad ja detektorid
Gravitatsioonilained on massi liikumisega kaasnevad aegruumi võnked, mis levivad tekkeallikast lainekujulistena. Gravitatsioonilainete olemasolu ennustas üldrelatiivsusteooria põhjal Albert Einstein 1916. aastal. Gravitatsioonilained edastavad energiat gravitatsioonikiirgusena.

Gravitatsioonilainete olemasolu eksperimentaalne tõestus esitati 11. veebruaril 2016, mil Ameerika Ühendriikide Laserinterferomeetri-Gravitatsioonilainete Observatooriumi (, LIGO) teadlased andsid teada kahe musta augu ühinemisel tekkinud gravitatsioonilainete registreerimisest. Järeldus tehti 14. septembril 2015 tuvastatud signaali põhjal. Signaali tuvastamise hetkel oli katseseadme sisselülitamisest möödas kõigest kaks päeva. Signaal pärines 29 ja 36 Päikese massi suuruse musta augu liitumisest umbes 1,3 miljardit aastat tagasi.

 Gravitatsioonilainete allikad 
pisi|Kaks sarnase massiga keha tiirlevad ümber sama punkti (punane rist) ringikujulisel orbiidil
pisi|Kaks sarnase massiga keha tiirlemas ümber sama punkti (punane rist) elliptilistel orbiitidel
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.

 Gravitatsioonilainest läbimineku efektid 
pisi|Polariseerutud gravitatsioonilaine mõju osakeste ringile
Gravitatsioonilained läbivad pidevalt Maad, kuid isegi kõige tugevamatel on imeväike mõju ning nende allikad on üldiselt kaugemal. Näiteks lained kahe musta augu liitumisest, GW150914-ga, jõudsid Maale pärast üle miljardi valgusaasta pikkust reisi pulsatsioonina aegruumis, mis muutis 4-km LIGO õla pikkust prootoni 1/10000 laiuse võrra. See muutus on samaväärne lähima galaktika kauguse muutusega ühe millimeetri võrra. Isegi äärmuslike gravitatsioonilainete toime on väga väike, nende toimet on võimalik märgata ainult keerukate detektoritega.

Me saame paremini mõista, mis on gravitatsioonilaine, vaadates, kuidas see mõjutab objekti, mida see läbib. Kujutage ette laeva merel. Kui veelaine läbib laeva paremalt vasakule, siis laev kõigub üles ja alla. Teiselt poolt, kui gravitatsioonilaine läbib samas suunas, laev muutub ühel hetkel pikkemaks, teisel lühemaks.

Nagu teiste lainete kirjeldamiseks, kasutatakse ka gravitatsioonilaine kirjeldamiseks mitmeid karakteristikud:
 Amplituud – näitab, mitme protsendi võrra gravitatsioonilaine venitab või pigistab objekti. Veelainete puhul näitab amplituud, kui palju laine tõuseb ja langeb võrreldes merepinnaga. Amplituud siintoodud animatsioonis on umbes h = 0,5 (või 50%). Maad läbivad gravitatsioonilained on mitu sekstiljonit korda nõrgemad kui see – h ≈ 10–20.
 Sagedus – tavaliselt tähistatakse f. See on sagedus, millega laine võngub (1 jagatud ajaga kahe järjestikuse maksimaalsete venitamiste või pigistamiste vahel).
 Lainepikkus – tavaliselt tähistatakse λ, see on kaugus pikilaine kahe maksimaalse venitamise või pigistamise vahel.
 Kiirus – kiirus, millega punkt laines (näiteks maksimaalse venitamise või pigistamise punkt) liigub. Gravitatsioonilainete väikeste amplituudide korral võrdub nende kiirus valguse kiirusega (c).
Gravitatsioonilaine kiirus, lainepikkus ja sagedus on seotud võrrandiga c = λf nagu valguslaine puhul. Siintoodud animatsioon võngub umbes kord kahe sekundi jooksul. See vastaks sagedusele 0,5 Hz ja lainepikkusele 600 000 km (~ 47 Maa läbimõõtu).

Eespool toodud näites on eeldatud, et laine on lineaarselt polariseerutud "pluss" polarisatsiooniga (kirjutatakse h +). Gravitatsioonilaine polariseerumine sarnaneb valguslaine polarisatsiooniga, välja arvatud see, et gravitatsioonilaine polarisatsioonide erinevus on 45 kraadi, mitte 90 kraadi. Nagu valguse polarisatsioon võib gravitatsioonilaine polarisatsioon olla ka ringpolariseerutud laine. Gravitatsioonilained on polariseerutud nende allika loomuse tõttu.

 Viited 

Välislingid
"Gravitatsioonilaineid nähti kolmandat korda" ERR Novaator, 2. juuni 2017 
"Gravitatsioonisignaalid hoiatavad lähenevate maavärinate eest" ERR Novaator, 25. november 2017

Kategooria:Gravitatsioon
Kategooria:Üldrelatiivsusteooria
Kategooria:Füüsika lahendamata probleemid