Fale grawitacyjne - w
ogólnej teorii względności
przemieszczająca się z
prędkością światła
zmarszczka w
czasoprzestrzeni
, w mechanice nierelatywistycznej fala ta objawia się jako fala natężenia pola grawitacyjnego. Źródłem fal grawitacyjnych jest ciało poruszające się z przyspieszeniem; do uzyskania obserwowalnych efektów ciało musi mieć bardzo duże przyspieszenie i ogromną
masę
. Obiekt emitujący fale traci
energię
, która unoszona jest w postaci
promieniowania
, któremu odpowiada
grawiton
,
hipotetyczna
cząstka
niosąca
kwant
fali grawitacyjnej.
Podstawy teoretyczne
Istnienie fal grawitacyjnych wynika z
ogólnej teorii względności
, sformułowanej przez
Alberta Einsteina
, której
równania
są nieliniowe, co powoduje:
Dowód pośredni
Dla słabych fal grawitacyjnych nieliniowe równania dają się
aproksymować
do postaci liniowej
ogólnej teorii względności
. Obliczenia stały się dużo prostsze, co pozwoliło na
symulację
wpływu fal grawitacyjnych na
gwiazdy neutronowe
. Okazało się, że dwa bardzo szybko obiegające się obiekty będą zwalniać na skutek emisji energii w postaci fal grawitacyjnych. Zjawisko to zostało pośrednio zaobserwowane przez
Russella Hulse'a
oraz
Josepha Taylora
. Pomiary ruchu dwóch gwiazd neutronowych dokładnie pokryły się z przewidywaniami ogólnej teorii względności. Obaj naukowcy za swoje odkrycie otrzymali w
1993
roku
nagrodę Nobla
w dziedzinie
fizyki
.
W roku
1999
opublikowano wyniki obserwacji satelity
ROSAT
. Odkrył on źródło
promieniowania rentgenowskiego
, które oznaczono jako J0806. Późniejsze obserwacje wykazały, że jest to jeden obracający się lub dwa orbitujące wokół siebie
białe karły
. W okresie od
6 stycznia
do
22 listopada
roku
2004
rentegenowski teleskop kosmiczny Chandra
wykonał szereg obserwacji J0806 w zakresie miękkich
promieni X
. Określono
częstotliwość
zmian promieniowania na 3,1101380±0,0000000006×10-3
Hz
.
Astronomowie
postawili hipotezę według, której J0806 to układ dwóch niezwykle bliskich sobie białych karłów, które okrążają się, co 5
min
21,53 s.
Odległość między nimi oszacowano na 80 000 km, czyli zaledwie czwartą część odległości między
Ziemią
i
Księżycem
. Prędkość orbitalna białych karłów została określona w przybliżeniu jako 800 km/s, a ich
masa
jako połowa masy
Słońca
. Tak szybki ruch dwóch bardzo ciężkich obiektów we wspólnym polu grawitacyjnym powinien prowadzić do utraty energii mechanicznej w postaci fal grawitacyjnych
Dokładne pomiary wykazały, że
częstotliwość
zmian natężenia promieniowania rentgenowskiego zmniejsza się w ciągu każdej sekundy o 3,77±0,8×10-16
Hz
. W ciągu tysiąca
lat
okres obiegu zmniejsza się o około 1,23 s. Moc emitowanej w postaci fal grawitacyjnych energii oszacowano na 1,5 ×1032
W
. Energia fal grawitacyjnych emitowanych w ciągu sekundy przez układ J0806 jest 400 000 razy większa niż cała energia wytwarzana przez Słońce.
Obiekt J0806 znajduje się zaledwie 1600
lat świetlnych
od Ziemi, co czyni go jednym z najłatwiejszych do wykrycia źródeł fal grawitacyjnych w naszym kosmicznym sąsiedztwie. W roku
2014
agencje
NASA
i
ESA
zamierzają razem wystrzelić zespół
sond
LISA
. Będą one poszukiwać fal grawitacyjnych. Ich czułość powinna pozwolić na wykrycie zmarszczek czasoprzestrzeni wytwarzanych w układzie J0806, co może potwierdzić hipotezy astronomów.
Bibliografia:
- Strohmayer T.E. Precision X-ray Timing of RX J0806.3+1527 with CHANDRA: Evidence for Gravitional Radiation from Ultracompact Binary
6 kwietnia 2005
arXvi
PDF
- Hupp E., Roy S.,Watzke M. NASA Sees Orbiting Stars Flooding Space With Gravitational Waves
31 maja 2005
Strona NASA
HTML
Próby obserwacji
Do chwili obecnej nikomu nie udało się odebrać fal grawitacyjnych z
kosmosu
. Jeżeli przez naszą planetę przeniknie taka fala, spowoduje to chwilowe rozciągnięcie i skurczenie się wszystkich obiektów. Dla przewidywalnych teoretycznie fal wartości odkształcenia obiektu o długości 400
km
są mniejsze niż 10-19 m. Tak małe wartości niesamowicie utrudniają detekcję fal grawitacyjnych, a bez tego pomiaru nie można być do końca pewnym ich istnienia. Jednak dzięki zastosowaniu interferometru laserowego możliwe jest zbudowanie
detektora fal grawitacyjnych
.
Prawdopodobny dowód bezpośredniej obserwacji
W 1987 roku została zaobserwowana supernowa w
Wielkim Obłoku Magellana
(
SN 1987A
), której fale grawitacyjne zostały rzekomo zarejestrowane przez Joe Webera (amerykańskiego fizyka pracującego na Uniwersytecie
Maryland
).
Według odkrywcy jego aparatura wykryła fale grawitacyjne w dokładnie tym samym momencie, kiedy ta supernowa została zaobserwowana. Jednak jego rezultaty nie zostały zaakceptowane ponieważ wyliczenia naukowców sugerowały powstanie zbyt słabych fal grawitacyjnych w porównaniu z czułością aparatury Webera.
Jednak jak twierdzi Asghar Qadir (fizyk pracujący na Uniwersytecie w Rawalpini w Pakistanie), odkrycie Joe Webera powinno być ponownie rozpatrzone, ponieważ prognozowanie siły fal grawitacyjnych nie jest łatwe i do niedawna tylko efekty pierwszego rzędu były brane pod uwagę. Asghar Qadir ze swoimi współpracownikami twierdzą, że w szczególnych okolicznościach efekty drugiego rzędu mogą wzmocnić fale grawitacyjne. Takie wzmocnienie może się tylko zdarzyć w przypadku pewnej asymetrii zdarzenia będącego źródłem fal, kiedy te ostatnie mogą być wzmocnione nawet o rząd 10^4.
Asghar Qadir zwraca także uwagę, że supernowa
SN 1987A
jest asymetryczna dokładnie w sposób wymagany do powstania takiego wzmocnienia. Tak więc, jeśli
SN 1987A
była źródłem fal grawitacyjnych, Weber mógłby być zdolny wykryć takie fale swoją aparaturą[1].
Hipoteza nadprzewodników
Na początku roku
2002
Raymond Y. Chiao z Uniwersytetu w Princeton zaproponował
hipotezę
, według której
nadprzewodnik
jest w stanie przekształcić odpowiedni rodzaj
promieniowania mikrofalowego
w fale grawitacyjne. Naukowiec stwierdził, że możliwe jest również odwrotne przekształcenie. Fale grawitacyjne mogą wywołać w nadprzewodniku emisję promieniowania elektromagnetycznego. Hipoteza Chiao opiera się na założeniu, że fale grawitacyjne opisują zależności zbliżone do
równań Maxwella.
Prowadzone są
eksperymenty
, które obalą lub potwierdzą tę hipotezę. Jeżeli okaże się ona prawdziwa, to fale grawitacyjne mogą pozwolić na przekazywanie
informacji
przez środek Ziemi, ponieważ zwykła materia prawie ich nie
pochłania
. Jednak ich
detektorem
może być tylko nadprzewodnik schłodzony do bardzo niskiej temperatury, co na pewno utrudni zastosowanie fal grawitacyjnych do
komunikacji
.
Analizy statystyczne
W listopadzie
2002
roku zespół badawczy z
Włoch
pracujący w Narodowym Instytucie Fizyki Nuklearnej (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) oraz na Uniwersytecie Rzymskim przeprowadził statystyczną analizę danych ze wszystkich detektorów. Może być ona traktowana jako pośredni dowód na detekcję fal grawitacyjnych. Obliczenia wykazały, że najsilniejsze fale grawitacyjne docierają do nas z centrum
Drogi Mlecznej
.
Zobacz też
Przypisy
Linki zewnętrzne