Az általános relativitáselmélet részeként Einstein azt jósolta, hogy a tömegnek gravitációs hullámokat kell kibocsátania. Képesnek kell lennie a legerősebb gravitációs hullámok észlelésére, amikor azok áthaladnak a Földön. A LISA elnevezésű, 2015-ben elindítandó űrmegfigyelő központnak még erősebbnek kell lennie.
A tudósok közel állnak ahhoz, hogy valójában látják a gravitációs hullámokat. Kép jóváírása: NASA
A gravitáció egy ismerős erő. Ez az oka a magasságtól való félelemnek. A holdot a Föld felé tartja, a Földet a Nap felé tartja. Ez megakadályozza, hogy a sör lebegjen a poharainkból.
De hogyan? A Föld titkos üzeneteket küld a Holdnak?
Nos, igen - egyfajta.
Eanna Flanagan, Cornell fizika és csillagászat egyetemi docens, életét a gravitáció megértésére szentelte, mióta a szülőházi Írországban a dublini University College hallgatója volt. Most, közel két évtizeddel azután, hogy Írországból elhagyta doktori fokozatát a híres relativista Kip Thorne mellett a kaliforniai Technológiai Intézetben, munkája a gravitációs hullámok méretének és formájának megjósolására összpontosít - egy megfoghatatlan jelenség, amelyet Einstein az 1916-os általános relativitáselmélet előrejelzése alapján előrejelzett. de amelyeket még soha nem fedeztek fel közvetlenül.
1974-ben a Princetoni Egyetem csillagászai, Russell Hulse és Joseph H. Taylor Jr. közvetetten mérték a gravitációs hullámok hatását a neutroncsillagok keringő pályájára - ez a felfedezés az 1993. évi fizika Nobel-díjat nyerte meg nekik. Flanagan és kollégái nemrégiben végzett munkájának köszönhetően a tudósok a küszöbön vannak, hogy közvetlenül az első gravitációs hullámokat lássák.
A hang nem létezhet vákuumban. Szükség van egy közegre, például levegőre vagy vízre, amelyen keresztül továbbíthatja az üzenetet. Hasonlóképpen, a gravitáció sem létezhet semmiben. Szüksége van egy médiumra is, amelyen keresztül továbbíthatja üzenetét. Einstein elmélete szerint ez a közeg a tér és az idő, vagy a „téridő szövet”.
Nyomásváltozások - dobdobás, vibráló hangkábel - hanghullámokat és hullámokat generálnak a levegőben. Einstein elmélete szerint a tömegváltozás - két csillag ütközése, a könyvespolcra szálló por - gravitációs hullámokat, hullámokat idéz elő az űridőben.
Mivel a mindennapi tárgyak tömege tömegű, a gravitációs hullámoknak körülöttünk kell lenniük. Akkor miért nem találunk?
"A legerősebb gravitációs hullámok mérhető zavarokat okoznak a Földön, amely 1000-szer kisebb, mint egy atommag" - magyarázta Flanagan. "Az észlelés hatalmas technikai kihívás."
Erre a kihívásra a LIGO, a Lézerinterferométer Gravitációs-Hullám-megfigyelőközpontja válaszol, egy kolosszális kísérlet, amelyben több mint 300 tudós működik együtt.
A LIGO két, egymástól közel 2000 mérföldnyire elhelyezkedő létesítményből áll - az egyik Hanfordban (Wash) és egy Livingstonban (Lajos). Minden létesítmény óriási „L” alakú, két 2,5 mérföld hosszú, négy láb átmérőjű karral. betonba burkolt vákuumcsövek. Az ultrastabil lézernyaláb áthalad a csöveken, visszatükröződik a tükrök között az egyes karok végén. A tudósok arra számítanak, hogy egy áthaladó gravitációs hullám kinyújtja az egyik karját és megnyomja a másikot, aminek következtében a két lézer kissé eltérő távolságot halad meg.
A különbséget ezután meg lehet mérni a lézer „zavarásával”, ahol a karok metszik egymást. Összehasonlítható két autóval, amelyek merőlegesen haladnak egy kereszteződés felé. Ha ugyanolyan sebességgel és távolsággal haladnak, akkor mindig összeomlanak. De ha a távolságok eltérőek, akkor hiányozhat. Flanagan és munkatársai hiányoznak.
Ezenkívül az, hogy pontosan mekkora a lézerek ütése vagy hiánya, információt nyújt a gravitációs hullám jellemzőiről és eredetéről. Flanagan szerepe megjósolni ezeket a jellemzőket, hogy a LIGO kollégái tudják, mit kell keresni.
A technológiai korlátok miatt a LIGO csak bizonyos frekvenciák gravitációs hullámait képes érzékelni erőteljes forrásokból, ideértve a Tejút szupernóva-robbanásait és a Tejút vagy a távoli galaxisok semleges csillagjainak gyors forgását vagy együttes keringését.
A lehetséges források bővítése érdekében a NASA és az Európai Űrügynökség már tervezi a LIGO utódját, a LISA-t, a lézerinterferométer űrantennáját. A LISA fogalma hasonló a LIGO-hoz, azzal a különbséggel, hogy a lézerek három, egymillió mérföldnyire egymástól elkülönülő műhold között visszapattannak, és a Föld körül a nap körül keringnek. Ennek eredményeként a LISA képes lenne a LIGO-nál alacsonyabb frekvenciákon érzékelni a hullámokat, például azokat, amelyeket egy neutroncsillag és a fekete lyuk ütközése vagy két fekete lyuk ütközése okoz. A LISA várhatóan 2015-ben indul.
Flanagan és a Massachusetts Institute of Technology munkatársai nemrégiben megfejtették a gravitációs hullám aláírását, amely akkor következik be, amikor egy szupermasszív fekete lyuk lenyeli a napméretű neutroncsillagot. Ez egy aláírás, amelyet a LISA fontos felismerni.
„Amikor a LISA repül, ezeknek a dolgoknak százai láthatók lesznek” - jegyezte meg Flanagan. „Meg tudjuk mérni, hogy a tér és az idő miként hullámzik, és miként állítják be a helyet egy fekete lyuk körül. Látunk elektromágneses sugárzást, és úgy gondoljuk, hogy valószínűleg egy fekete lyuk - de ez körülbelül amennyire megvan. Nagyon izgalmas lesz végül látni, hogy a relativitáselmélet valóban működik. ”
De figyelmeztette: „Lehet, hogy nem működik. A csillagászok megfigyelik, hogy az univerzum tágulása felgyorsul. Az egyik magyarázat az, hogy az általános relativitáselméletet módosítani kell: Einsteinnek többnyire igaza volt, de egyes rendszerekben a dolgok másképp működhetnek. ”
Thomas Oberst tudományos író gyakornok a Cornell News Service-nél.
Eredeti forrás: Cornell University
