Гравитациони бранови – што претставуваат и зошто ги истражуваме

СПОДЕЛИ

Гравитационите бранови се релативно нов концепт во физиката. Иако за нив прв пат дискутирал Лаплас во 1805-тата година, нивната модерна форма била формално запишана во 1915 година, кога Ајнштајн ја презентирал неговата Општа Теорија на Релативност.

Според оваа теорија, Универзумот е четиридимензионален: три димензии се просторните димензии (висина, ширина, должина), а четвртата е времето. Така, според Ајнштајн, времето и просторот не се взаемно исклучни и во овој случај зборуваме за просторно-временски континуум (spacetime). Гравитацијата како сила е всушност последица на закривувањето на овој просторно-временски континуум. Колку е помасивно телото, толку закривувањето (=гравитацијата) на просторот и времето е поголемо.

Физичарот Џон Вилер (John Wheeler) ова го формулирал во една едноставна реченица: “Matter tells space how to curve, space tells matter how to move” или материјата му кажува на просторот како да се закривува (колку е помасивно телото – толку е поголемо закривувањето на просторно-временскиот континуум), додека просторот ѝ кажува на материјата како да се движи (зависно од закривувањето на просторно – временскиот континуум материјата се движи во една одредена траекторија). Ова визуелно е претставено на фигурата во продолжение:

Извор: https://www.ligo.caltech.edu/image/ligo20160211e

Фигура 1: закривување на просторно-временскиот континуум како последица на масата на едно тело: колку е помасивно телото – толку е поголемо закривувањето

Доколку еден систем искуси промена во распределбата на масата (на пример, две масивни тела се соединат во едно), тогаш се создаваат одредени брановидни вознемирувања во просторно-временскиот континуум што се шират со брзина на светлината. Овие вознемирувања се наречени гравитациони бранови и тие можат да бидат предизвикани само од многу масивни тела.

Многу поедноставено, визуелно објаснување за гравитационите бранови е ширењето на бранови во вода. На пример, површина на едно езеро можеме да ја замислиме како целиот Универзум и сите камчиња, растенија и карпи во него се сите стеларни објекти во Универзумот. Но, ако фрлиме камче во водата, тогаш ќе има одредена промена во масата на системот и одредени кружни бранови (аналогно: гравитациони бранови) ќе почнат да се шират низ водата (аналогно: низ Универзумот).

Извор: http://sciencequestionswithsurprisinganswers.org/2014/06/26/how-does-a-photon-accelerate-to-light-speed-so-quickly/

Фигура 2: Кружни бранови во вода

Колку сме подалеку од изворот на бранот – точката каде што се фрлило камчето – толку бранувањето е помало. Истото се случува и со гравитационите бранови: иако во точката каде што се случува промената на масата на системот бранувањата се огромни, ефектите од гравитационита бранови на земјата, која одалечена многу светлосни години од изворот на гравитационите бранови, се премали. Поради ова, детекцијата на гравитационите бранови е многу тешка задача.

Тогаш, се поставуваат следниве прашања:

  • Зошто воопшто би сакале да ги истражуваме ако нивните ефекти на земјата се толку мали?
  • Дали овие бранови имаат одредени карактеристики коишто можат да им помогнат на (астро)физичарите да ги детектираат?
  • Дали секој објект во Универзумот може да генерира гравитациони бранови?
  • Ако брановите се толку слаби на земјата, како воопшто можеме да ги детектираме и да бидеме сигурни дека постојат?

Мотивација за истражување на гравитационите бранови

Можеби најважната последица при потврдата на постоењето на гравитационите бранови е директниот доказ дека Општата Теорија на Релативност на Ајнштајн е навистина точна. Дополнително, набљудувањето и детекцијата на гравитационите бранови директно отвора нов прозорец за обзервационата астрономија.

Гравитационите бранови се предизвикани од супер масивни објекти чија гравитациона сила е преголема (на пример црни јами), па така на оваа гравитациона сила ништо не може да ѝ избега – дури ни светлината. Како последица на ова, овие масивни тела не емитираат светлина и не можат да бидат истражувани со телескопи или други стандарни алатки/методи во обзервационата астрономија. Но, овие тела емитираат гравитациони бранови, па така ако ги детектираме и анализираме гравитационите бранови, директно ќе можеме и да ги набљудуваме и анализираме следниве појави:

  • Временско-просторниот континуум околу црните јами
  • Формацијата на црните јами
  • Соединувањето на црни јами со други црни јами или неутронски ѕвезди
  • Првичните моменти на Универзумот
  • Скриените галаксии кои во центарот имаат супермасивни црни јами

Црни јами се многу густи објекти: огромна маса (десетици пати поголема од таа на сонцето) е собрана во мал волумен и затоа нивната гравитациона сила е огромна.

Неутронските ѕвезди се создаваат кога гигантски ѕвезди умираат преку масивна експлозија (супернова) и нивните јадра колабираат: протоните и електроните практично се топаат едни во други и формираат неутрони. Масите на ѕвездите пред да завршат како неутронски ѕвезди се меѓу 4 и 8 пати поголеми од масата на сонцето, додека пак масата на финалната неутронска ѕвезда е околу 1.4 – 2 пати поголема од таа на сонцето. Оваа маса е собрана во многу мал дијаметар (околу 20 километри), па така овие ѕвезди се толку густи што, исто како и црните јами,  гравитационата сила им е преголема (околу два билиони пати посилна од гравитационата сила на земјата).

Продолжува: Карактеристики, извори и типови на гравитациони бранови и нивна детекција…

Дискусија

Коментари