Gravitācijas viļņi

Gravitācijas viļņi ir šķērsviļņi, kurus saskaņā ar vispārīgās relativitātes teoriju rada paātrinātā kustībā esoši masīvi ķermeņi vai to formas izmaiņa. Potenciāli gravitācijas viļņu avoti ir asimetriski pārnovu sprādzieni, neitronu zvaigžņu vai melno caurumu sadursmes vai arī jebkuru divu pietiekami masīvu objektu atrašanās orbītā vienam ap otru. Gravitācijas viļņi vakuumā izplatās ar gaismas ātrumu. Mijiedarbojoties ar ķermeņiem, tiem ir jāizraisa šo ķermeņu deformācija.

Lai gan vācu fiziķa Alberta Einšteina izstrādātā vispārīgā relativitātes teorija paredzēja gravitācijas viļņu eksistenci jau 1916. gadā, pirmos tiešos gravitācijas viļņu novērojumus izdevās fiksēt tikai 2015. gada septembrī, kad LIGO gravitācijas viļņu detektori reģistrēja divu melno caurumu sadursmi aptuveni 1,3 miljardu gaismas gadu attālumā no Zemes. Novērojums oficiāli tika apstiprināts 2016. gadā.

Kopā ar elektromagnētiskajiem viļņiem gravitācijas viļņi ir vieni no diviem viļņu veidiem, kas spēj pārvietoties caur Visumu un nogādāt informāciju no attāliem un arī seniem astronomiskiem objektiem uz Zemes virsmas.

 Vēsture 

Gravitācijas viļņus pirmoreiz paredzēja Einšteina vispārīgā relativitātes teorija 1916. gadā. Ilgu laiku nebija pietiekami jutīgu instrumentu šo viļņu pierādīšanai. Gravitācijas viļņu eksistenci netieši pierādīja Rasels Halss un Džozefs Teilors, pētot jauna veida dubultzvaigzni PSR 1913+16, kas sastāv no pulsāra un neitronu zvaigznes, par ko viņiem 1993. gadā piešķīra Nobela prēmiju.

Lai mēģinātu atklāt gravitācijas viļņus tiešos mērījumos, tika izmantoti elektromagnētiskie teleskopi un neitrīno observatorijas. Džozefs Vebers pirmais mēģināja atklāt gravitācijas viļņus 1960. gados, darbojoties ar rezonanses masas stieņa detektoru. Līdzīgi detektori pasaulē tika uzbūvēti sešās vietās, bet tie nedeva pozitīvu rezultātu. 1970. gados zinātnieki izmantoja lāzera interferometriju, lai veiktu gravitācijas viļņu mērījumus.

2002. gadā gravitācijas viļņus sāka meklēt LIGO observatorija.

2014. gada 17. martā Hārvarda — Smitsona astrofizikas centra zinātnieki paziņoja, ka atklājuši gravitācijas viļņu pēdas. Atklājums veikts, analizējot datus no teleskopa BICEP2, kurš no 2010. līdz 2012. gadam veica reliktstarojuma novērojumus Antarktīdā. Vēlākas citu zinātnieku analīzes liecināja, ka tādas pēdas varētu būt atstājuši starpzvaigžņu putekļi.

2016. gada februārī LIGO darba grupa paziņoja, ka gravitācijas viļņi ir novēroti melno caurumu mijiedarbībā.B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger, Physical Review LettersGravitational Wave Detection Heralds New Era of Science, Sky and Telescope

 Nozīme 

Pateicoties informācijai no gravitācijas viļņiem, zinātniekiem 2017. gada oktobrī pirmoreiz vēsturē izdevās novērot divu neitronu zvaigžņu sadursmi (kilonovas eksploziju) aptuveni 130 miljonu gaismas gadu attālumā no Zemes, pēc kā tika secināts, ka visticamāk lielākā daļa no Visumā sastopamajiem ķīmiskajiem elementiem kā zelts, platīns, plutonijs un citi elementi, kas ir smagāki par dzelzi, (to skaitā arī uz Zemes) ir tikuši izveidoti šāda veida astronomisko objektu sadursmju rezultātā.

 Gravitācijas viļņu izplatīšanās ātrums 

Gravitācijas viļņu izplatīšanās ātrums vakuumā ir vienāds ar gaismas ātrumu vakuumā. Šis fakts izriet gan no vispārīgās relativitātes teorijas, gan arī no eksperimentāliem mērījumiem. 2017. gadā gravitācijas viļņu signālu GW170817 no neitronu zvaigžņu sadursmes LIGO un Virgo detektori uztvēra gandrīz vienlaicīgi ar elektromagnētisko viļņu signālu, kas savukārt tika uztverts ar gamma satelītiem un optiskajiem teleskopiem, no avota 130 miljonu gaismas gadu attālumā.

Detektēšana

Netiešā detektēšana

1974. gadā Rasels Halss un Džozefs Teilors atklāja dubultzvaigzni PSR 1913+16, kas sastāv no pulsāra un neitronu zvaigznes, ar radioteleskopu. Tika novērots, ka pulsāra orbitālais periods samazinās. Perioda samazināšanās izskaidrojama ar enerģijas zudumiem. Orbitālā perioda samazināšanās temps un apjoms atbilst enerģijas zudumiem no dubultzvaigznes sistēmas izstaroto gravitācijas viļņu dēļ, kas arī sakrīt ar vispārīgo relativitātes teoriju.

Pulsāru laika masīvi

Pulsāri ir neitronu zvaigznes, kas ik pēc noteikta perioda izstaro elektromagnētiskos viļņus. Tos var novērot ar radioteleskopu. Gravitācijas viļņu ietekmē rodas nobīde no gaidāmā pulsāra izstarotā signāla uztveršanas laika. Pulsāru laika masīvi ir vairāku pulsāru kopa. Pa vairākiem šīs kopas pulsāru pāriem var noteikt katram pārim šī uztvertā signāla nobīdes korelāciju. Teorētiski šī korelācija ir atkarīga no leņķiskā attāluma starp pāra pulsāriem pie debess sfēras. Šo sakarību dēvē par Helingsa—Daunsa līkni.

2023. gada jūnijā astronomu apvienība NANOGrav publicēja datus, kas iegūti 15 gadu laikā no pulsāru laika masīviem, kas bija pirmais pierādījums fona gravitācijas viļņiem, kur iegūtajos datos bija novērojama paredzētā Helingsa—Daunsa līknes sakarība.

 Skatīt arī 

 Elektromagnētiskie viļņi
 Gravitācija

Atsauces

 Ārējās saites 

 Encyclopedia Britannica ieraksts 
 National Geographic ieraksts 
 NASA ieraksts 

Kategorija:Vispārīgā relativitātes teorija
Kategorija:Gravitācija
Kategorija:Viļņi
Kategorija:Gravitācijas viļņu astronomija