810
BLOG
Czy istnieją fale grawitacyjne?
BLOG
Istnienie promieniowania grawitacyjnego(fal grawitacyjnych) zostało teoretycznie uzasadnione przez Alberta Einsteina, zaraz po sformułowaniu przez niego ogólnej teorii względności(OTW),to jest- już w roku 1917.Jednak twórca OTW do końca życia pozostał sceptykiem, co do możliwości doświadczalnego potwierdzenia tego zjawiska.Minione dziewięćdziesiąt lat tego tematu, obfitowało zarówno w pozytywne dokonania, jak i liczne kontrowersje i spory. Kontrowersje i spory toczyły się i nadal się toczą wokół podstawowej kwestii, jaką jest przekaz energii i pędu przez rozchodzące się zaburzenie pola grawitacyjnego.Natomiast pozytywne dokonania w tym temacie (fale grawitacyjne) są olbrzymie i występują w dziedzinie detekcji hipotetycznych fal grawitacyjnych .Od czterdziestu lat są budowane i funkcjonują detektory tych fal, a nowe są w budowie w kilku krajach. Jak powstają i czym są fale grawitacyjne? W fizyce mówimy ,że każdy ruch drgający(oscylacja) może być źródłem powstania fal. Jeżeli rytmicznie uderzamy końcem kijka o powierzchnię wody stawu, to na niej powstają fale kołowe: od miejsca uderzeń kijka, ,rozbiegające się we wszystkich kierunkach, promieniście , grzbiety i doliny (na przemian).W ośrodkach materialnych sprężystych, jeśli w jakimś miejscu ,wywołamy odkształcenie, to natychmiast będzie się ono rozchodzić z pewną prędkością w kierunkach zależnych od geometrii ośrodka i jego własności fizycznych. Są to fale mechaniczne i polegają one na rozchodzeniu się pewnego stanu ośrodka. Jeśli źródło podlega oscylacjom periodycznym, to fale powstające są również periodyczne, regularne, o pewnych stałych parametrach. W przeciwnym razie, mamy do czynienia z impulsem falowym, zaburzeniem aperiodycznym.Drgające ładunki elektryczne (np. elektrony) są źródłem fal elektromagnetycznych, które do rozchodzenia nie wymagają ośrodka materialnego i w próżni mają prędkość 300 000 km/s. Taka fala, to rozchodzące się zaburzenie(periodyczne lub nie ) pola elektromagnetycznego w czasoprzestrzeni. Do jej rozchodzenia się nie jest potrzebny ośrodek materialny, cząsteczkowy.W analogii, możemy sądzić ,że w polu grawitacyjnym będą też rozchodzić się zaburzenia czyli fale, o ile źródło tego pola, będzie podlegać oscylacjom. Wystarczy, żeby kosmiczny obiekt np. gwiazda, wykonywała takie oscylacje, a na pewno jej pole grawitacyjne będzie rozprowadzać w sobie owe zaburzenia określonych parametrów.Jednak pole grawitacyjne, to geometria czasoprzestrzeni, a dokładnie jej krzywizna. Tym samym, fale grawitacyjne muszą być periodycznymi zmianami wartości krzywizny czasoprzestrzeni, rozbiegającymi się w niej samej. Periodyczne zmiany wartości krzywizny czasoprzestrzeni przemieszczające się w niej samej- oto czym są fale grawitacyjne.Powyższy tekst może być podsumowane zestawieniem porównawczym:fale mechaniczne, to sprężyste odkształcenia ośrodka materialnego rozchodzące się w tym ośrodku, fale elektromagnetyczne, to periodyczne zaburzenie pola ExB rozchodzące się w czasoprzestrzeni(w próżni) lub w ośrodkach materialnych fale grawitacyjne, to periodyczne zmiany krzywizny czasoprzestrzeni rozprzestrzeniające się w tej samej czasoprzestrzeni. Pominąłem świadomie, fale de Brogliea(fale prawdopodobieństw), gdyż ich dyskusja wymaga uprzedniego określenia sensu fizycznego funkcji falowej “psi” Schroedingera.Matematyczne analizy własności i struktury fal grawitacyjnych (zob.np. [1],[2]) prowadzą do następujących stwierdzeń: prędkość rozchodzenia się fal grawitacyjnych jest równa prędkości światła w próżni, natężenie(amplituda) i częstotliwość zależą od mas źródłowych i częstotliwości ich drgań oraz od odległości detektora od źródła, całkowita wypromieniowana moc przez źródła nie kosmiczne jest zaniedbywalnie znikoma, wobec czego nie projektuje się ziemskich źródeł. Na przykład układ Jowisz- Słońce, który może być traktowany jako oscylator , wypromieniowuje fale grawitacyjne o mocy rzędu 10E2 wata. Fale grawitacyjne nie są pochłaniane przez ośrodek materialny(brak ekranów).Zarejestrowano jednak dwa bardzo dziwne efekty podczas zaćmienia Słońca. W 1971 roku, w USA (laboratorium grawimetryczne, Pasadena) stwierdzono anomalie drgań wahadła torsyjnego, oraz w 1997 roku w Chinach, zespół geofizyków wykrył zmianę składowej pionowej natężenia pola grawitacyjnego Ziemi w miejscowości Moho, prowincja Helongijang[3]. Kosmiczne źródła fal grawitacyjnych Może to być gwiazda, tylko jej masa musi być dużo większa od masy Słońca. Takich kandydatek, które mają masy np. rzędu 100 x masa Słońca, znamy niewiele. Lepszymi kandydatkami są gwiazdy osobliwe o monstrualnych gęstościach np. gwiazdy neutronowe lub supernowe II typu . Jeszcze lepszymi, są czarne dziury posiadające moment obrotowy. Czasoprzestrzeń związana z takim obiektem jest “wleczona”, powstają specyficzne zaburzenia krzywizny (skręcenie),które rozprzestrzeniają się i możliwe ,że mogą być zarejestrowane na Ziemi.Najlepszymi kandydatami na źródła intensywnych fal grawitacyjnych, są układy podwójne gwiazd zawierające, różne kombinacje gwiazd neutronowych i czarnych dziur:podwójne gwiazdy neutronowe podwójne czarne dziury układ: czarna dziura i gwiazda neutronowa. Masywne, gęste ciała, okrążające się po ciasnych orbitach, emitują (jako oscylatory) fale grawitacyjne. Tracą tym samym energię. Powoli zacieśniają się, a ich okres obiegu maleje i fale stają się coraz mocniejsze i o coraz to większej częstotliwości.W fazie końcowej dochodzi do katastroficznego połączenia się (koalescencji) w jedną czarną dziurę. I właśnie w tej fazie następuje wybuchowa emisja potężnego impulsu falowego, który może być zarejestrowany na Ziemi.Teoria takich procesów, zapoczątkowana wspaniałymi pracami Chandrasekhara[4,5],który właściwie zapoczątkował teorię pól sprzężonych, grawitacyjnych fal uderzeniowych, oraz zderzeń super mocnych impulsowych fal grawitacyjnych, ogniskuje dzisiaj uwagę setek specjalistów w dziedzinie OTW, a że nie jest to czcze zajęcie, to mogą poświadczyć Haulse i Taylor, którzy w 1974 roku odebrali nagrodę Nobla za pośrednie wykazanie obserwacyjne, że przewidziany teoretycznie mechanizm generacji fal grawitacyjnych przez układ dwóch gwiazd neutronowych (binarny układ pulsarów)rzeczywiście istnieje.Badania teoretyczne tego rodzaju, hipotetycznych kosmicznych źródeł fal grawitacyjnych, prowadzone są metodami symulacji komputerowych, w połączeniu z modelowaniem statystycznym (tzw. synteza populacji oparta na zasadzie Monte Carlo) ,które pozwala rzetelnie oszacować przewidywaną liczbę takich układów generujących fale i prawdopodobną częstotliwość rejestracji ziemskiej emitowanych przez nie( w akcie koalescencji) impulsów falowych, w ustalonym przedziale czasu. Detekcja i detektory fal grawitacyjnych Kiedy fale grawitacyjne przechodzą przez układ fizyczny, to wywołują dyslokacje przestrzenne jego części i układ wprawiony jest w drgania. Może to być masywna bryła formy cylindrycznej , kulistej lub wielościanu. Najlepiej, gdy będą to drgania rezonansowe.Na początku lat sześćdziesiątych ubiegłego wieku, Joseph Weber zastosował detektory rezonansowe i po dziś dzień w niektórych krajach stosuje się tę technikę(ulepszoną) , np. na uniwersytecie rzymskim, uniwersytecie w Perth(Australia) lub na uniwersytecie stanu Luizjana.Na zupełnie innej zasadzie działają detektory interferometryczne. Bazą jest układ czterech masywnych elementów wykonanych z przezroczystego materiału(tzw. lustra) umieszczonych na końcach dwóch prostopadłych sztywnych odcinków w kształcie litery L.Promienie światła laserowego wędrują między tymi elementami ulegając częściowym odbiciom i przepuszczaniu, by na koniec interferować ze sobą dając stabilny obraz w interferometrze. Gdy na bazę(która pełni funkcję anteny odbiorczej) padnie impuls falowy grawitacyjny pojawią się drgania bazy ,zmienią się względne odległości mas i obraz interferencyjny ulegnie zmianie. Tą techniką mierzy się dyslokację mas z dokładnością rzędu 10E(-17) m ,o ile ramiona interferometru są rzędu 10 km.Na świecie czynna jest cała sieć tego typu detektorów :-amerykański, zwany w skrócie LIGO ( Laser Interferometer Gravitational Wave Obserwatory),obejmuje dwa interferometry (Hanford, Livingstone),o długości ramion 4 km i prowadzony jest przez KALTECH,-włoski koło Pizy zwany VIRGO, długość ramion 3 km,-brytyjsko-niemiecki GEO600, w pobliżu Hanoweru, długość ramion 600m,-japoński w Tokio, TAMA, długość ramion 300m.Pierwsza faza detekcji fal, odbyła się na przełomie 2002/3,druga faza zaprojektowana jest na bieżący rok. Kilka osób z Polski uczestniczy w pracach, w funkcji konsultantów.Natomiast projekt wspólny NASA i Europejskiej Agencji Kosmicznej zwany skrótowo LISA (Laser Interferometer Space Antenna),rozpocznie pracę w roku 2011.Będzie to orbitalny interferometr laserowy utworzony z satelitów tworzących równoboczny trójkąt o boku 5 milionów kilometrów(w każdym wierzchołku trójkąta są dwa satelity) poruszający się po orbicie heliocentrycznej pokrywającej się z orbitą Ziemi i nachylonej do niej pod kątem 60 stp [6].Ogółem, aktualnie pracuje kilkaset osób na świecie, przy działających detektorach fal grawitacyjnych. Przy czym badania te mają szeroki zakres celów. Nie tylko idzie w nich, o wykrycie fal grawitacyjnych i zbadanie ich własności.Fale grawitacyjne, to prawdopodobnie nowe i potężne “okno” dla astronomii obserwacyjnej, obok fal elektromagnetycznych(widzialnych, radiowych, w dalekim fiolecie, rentgenowskich).Na podstawie ich struktury, będzie można identyfikować i badać obiekty osobliwe takie jak np. układy gwiazd osobliwych lub pojedyncze gwiazdy osobliwe(supernowe, pulsary, czarne dziury).Przy pomocy tego promieniowania prawdopodobnie kwantowa struktura grawitacji będzie eksperymentalnie sprawdzona(G.Amelino-Camelia,1999) lub teoria superstrun w odniesieniu do fazy poprzedzającej Wielki Wybuch(G.Veneziano,2004).Ostatnio sonda Cassini próbowała zarejestrować wpływ fal grawitacyjnych na fale radiowe sterujące pracą jej podzespołów.Jest to tylko fragment intrygujących pól sprzężonych i ich własności fizycznych. Wędrujące drgania krzywizny czasoprzestrzeni, z pewnością odsłonią przed nami nie przeczuwane obiekty i obszary dynamicznego wszechświata Literatura [1] B.Schutz , Wstęp do ogólnej teorii względności,Warszawa,1995,s.214-250[2] W.Kopczyński, A.Trautman , Czasoprzestrzeń i grawitacja,Warszawa,1981,s.179-185[3] Physical Review D 62,041101( R),2000[4] S.Chandrasekhar,Hydrodynamic and Hydromagnetic Stability,New York,1981[5] S.Chandrasekhar, The Mathematical Theory of Black Holes,Oxford,1983[6] Kip S.Thorne, Zakrzywienie czasoprzestrzeni i świat kwantów,w tomie: Hawking, Thorne, Nowikow, Ferris, Lightman,Przyszłość czasoprzestrzeni,Poznań,2002
