Kurts Švarcs

Einšteina prognozētie gravitācijas viļņi ir novēroti

Pagājušā gada novembrī pasaule atzīmēja Alberta Einšteina vispārīgās relativitātes teorijas (VRT) simtgadi. Šī teorija ir speciālās relativitātes teorijas vispārinājums gravitācijai, un tā apraksta gravitāciju kā laiktelpas metrikas deformāciju. Gravitācija izmaina gan telpas ģeometriju, gan fizikālos procesus gravitācijas laukā. Mūsdienās bez VRT nav iespējams aprakstīt Visumu un tā struktūru.

Jau pirmajās publikācijās par VRT Alberts Einšteins prognozēja gravitācijas viļņus, kas tiek izstaroti pie gravitācijas lauka izmaiņām gan rotācijas kustībā, gan ķermeņu sadursmēs, gan supernovu eksplozijās un citur. Šie viļņi ir transversāli un izplatās ar gaismas ātrumu. Ņemot vērā gravitācijas lauka īpašības, Einšteins atzīmēja, ka gravitācijas viļņu amplitūda ir ļoti niecīga un ka šos viļņus būs grūti reģistrēt.

Pirmie meklējumi

Pirmie gravitācijas viļņu meklējumi saistās ar rotējošiem objektiem, kuru īpašības (enerģija atkarībā no zvaigžņu masas un savstarpējā attāluma) teorētiski ir labi aprakstītas. Amerikāņu astronomi Rasels Halss (Russell A. Hulse) un Džozefs Teilors (Joseph A. Taylor) 1974. gadā novēroja neitronu dubultzvaigzni (pulsāru PSR 1913 + 16) Ērgļa zvaigznājā, 21000 gg. attālumā no Zemes (1gg. = 9.461x10¹² km ). Pulsārs, būdams tuvu Zemei, bija labi novērojams radioviļņu diapazonā. Gravitācijas mijiedarbībā samazinājās attālums starp zvaigznēm, un pulsārs izstaroja gravitācijas viļņus, nepārtraukti samazinot apgriešanās periodu, kas saskanēja ar teoriju. Tas bija pirmais netiešais gravitācijas viļņu novērojums, par ko atklājuma autori 1993. gadā saņēma Nobela prēmiju fizikā.

Jau 20. gadsimta 70. gados pētnieki centās noskaidrot, kā izmantot gaismas interferenci gravitācijas viļņu novērošanai. Tomēr pagāja četri gadu desmiti, līdz interferences tehnika sasniedza tādu līmeni, kas ļāva reģistrēt niecīgus mehāniskos spriegumus ar kārtu 10^-21. Šāda amplitūda tika prognozēta gravitācijas viļņiem no smagiem astronomiskiem objektiem aptuveni viena miljarda gaismas gadu attālumā no Zemes.

No šodienas skatpunkta raugoties, krass pavērsiens notika 1992. gadā, kad Kips Torns (Kip Thorne) un Ronalds Drevers (Ronald Drever) no Kalifornijas Tehnoloģiju institūta un Rainers Veiss (Rainer Weiss) no Masačūsetas Tehnoloģiju institūta organizēja Lāzera interferometra gravitācijas viļņu observatoriju (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory - LIGO). Patlaban šīs observatorijas darbā piedalās zinātnieki no vairāk nekā 40 valstīm. Divi Maikelsona interferometri (pleca garums 4 km) lokalizēti Henfordā un Livingstonā, 3000 km attālumā viens no otra.

Interferences mērījumu fantastiskā precizitāte

Līdzīgas observatorijas gravitācijas viļņu uztveršanai dibinātas arī Eiropā (GEO 600 Vācijā, Lielbritānijā; VIRGO Itālijā). Patlaban gan tikai LIGO observatorija ir sasniegusi vajadzīgo reģistrācijas līmeni, bet VIRGO plāno uzsākt mērījumus šā gada beigās.

LIGO observatorija pirmos zinātniskos mērījumus uzsāka 2002. gadā - desmit gadus pēc dibināšanas. No 2002. līdz 2010. gadam veiktajos novērojumos netika uztverti gravitācijas viļņi - nebija spēcīgu signālu un interferometra jutība bija nepietiekama. Tikai pēc atkārtotas rekonstrukcijas 2015. gadā LIGO observatorija ieguva nepieciešamo jutību gravitācijas viļņu uztveršanai.

LIGO observatorijās ir uzstādīti divi identiski "L" veida Maikelsona interferometri (pleca garums 4 km). Attālums no Henfordas līdz Livingstonai ir ap 3000 km - tas izslēdz kļūdainus mērījumus, jo reģistrācija tiek akceptēta tikai tad, ja abi interferometri vienlaicīgi uztver identiskus signālus.

Katrā interferometra plecā atrodas divi 40 kg smagi kvarca (SiO₂) masas etaloni (test mass) gravitācijas viļņu uztveršanai. Šie masas etaloni iekārti sarežģītā antivibrācijas sistēmā, kas samazina un novērš ārējo vibrāciju un trokšņu iespaidu. Interferometra sistēma ievietota metāliskās caurulēs (diametrs 1,2 m) ar vakuumu 1µPa (10^-11 atmosfēras!). Viss lāzera interferometrs 4 km garumā ir antivibrācijas režīmā.

LIGO interferometrs ir optikas un lāzertehnikas izcilākais sasniegums. Gaismas avots ir 20 W jaudīgs Nd:YAG lāzers ar viļņa garumu 1064 nm, kas tiek sadalīts divos 4 km garos staros. Katrā starā ir Fabrī-Pero rezonators, kas ar daudzkārtīgu gaismas atstarošanos palielina optisko ceļu un interferometra jutību. Lāzera stara jauda no 20 W tiek paaugstināta līdz 100 kW ar stabilizētu intensitāti. Izgatavoti speciāli spoguļi ar minimāliem gaismas atstarošanās zudumiem. Izgatavoti arī fotodetektori ar maksimālu jutību starojuma viļņu garumam un minimāliem trokšņiem. Interferometrs bez ārējā signāla - gravitācijas viļņu izraisītās masas etalona deformācijas dod interferences minimumu (nulles signāls). Ja uz masas etalona krīt gravitācijas viļņi, tie izraisa nelielu deformāciju, kas tiek pastiprināta interferometrā, izraisot pleca attāluma nobīdi un interferences izmaiņas. Fotodetektora signāls ir proporcionāls nobīdes lielumam. Mehāniskā sprieguma amplitūda tiek kalibrēta ar lāzera impulsu, kam ir zināms gaismas spiediena lielums. Pēc 2015. gada rekonstrukcijas (advanced LIGO - aLIGO) interferometra jutība pret mehānisko spriegumu sasniedza 10^-22, kas atbilst interferences pleca izmaiņai par 10^-17 cm! LIGO interferometra jutība 10^-17 cm ir 10¹³ (desmit tūkstošu miljardu!) reižu mazāka par Nd:YAG viļņa garumu un desmittūkstoš reižu mazāka par brīvā protona rādiusu! Šie parametri pat optiķim pirmajā mirklī šķiet fantastiski.

Gravitācijas viļņi no melnajiem caurumiem

LIGO interferometra lielā jutība palielina iespējamību reģistrēt vājos gravitācijas viļņu signālus, un vienlaikus tā palielina novērojamā Visuma apjomu (attālumu līdz viļņu avotam). Gravitācijas viļņu avoti ir procesi zvaigžņu evolūcijas noslēgumā, kad zvaigzne gravitācijas kolapsa rezultātā pārvēršas pārnovā, neitronu zvaigznē vai melnajā caurumā. Šie procesi norisinās zvaigznes evolūcijas beigu posmā, kad zvaigzne sabrūk. To rezultātā zvaigznes, kuru masa ir mazāka par trim Saules masām, veido neitronu zvaigznes, bet zvaigznes ar lielāku masu - melnos caurumus. Šādi veidojas arī dubultzvaigznes (pulsāri) - līdzīgas tai, ko 1974. gadā Halss un Teilors novēroja Ērgļa zvaigznājā. Teorētiskie aprēķini norādīja aLIGO iespējas reģistrēt gravitācijas viļņus no neitronu zvaigznēm, kuru attālums no Zemes nepārsasniedz 100 miljonus gaismas gadu, un no melnajiem caurumiem ap desmit reižu lielākā attālumā. Tomēr prognozēt notikumus laikā un telpā (virziens un attālums) ir neiespējami, un problēmas risinājumiem ir nepieciešami ilgstoši novērojumi.

aLIGO interferometra novērojumu seanss tika plānots no 2015. gada 18. septembra līdz 2016. gada 12. janvārim. Taču jau četras dienas iepriekš, 14. septembrī, abos interferometros - gan Henfordā, gan Livingstonā - pētnieki novēroja signālus ar sprieguma amplitūdu ~10^-21. Signāls tika reģistrēts ~0,2 sekunžu laikā, turklāt signālu amplitūda šajā laikā pieauga, laika intervāls starp atsevišķiem reģistrētiem impulsiem samazinājās un signāls pēc maksimālās amplitūdas sasniegšanas pārgāja trokšņu līmenī. Abos interferometros signāli bija vienādi, bet signālu sākums atšķīrās par 7 milisekundēm. Signālu nobīde ļāva noteikt leņķi starp abiem signāliem (H1 un L1) un gravitācijas viļņa avota virzienu un koordinātas. Līdzās gravitācijas viļņu reģistrācijai tika veikta signālu modelēšana, kas apstiprināja novērēto gravitācijas viļņu signālu no rotējošiem bināriem melniem caurumiem. Arī signāla frekvences palielināšana reģistrācijas laikā apstiprina izvirzīto divu melno caurumu (bināro) modeli.

Atklājumu - GW150914 oficiāli izziņoja tikai 2016. gada 11. februārī LIGO preses konferencē, un 12. februārī tika publicēts raksts žurnālā Physical Review Letters. LIGO zinātnieku kolektīvs (no vairāk nekā 130 universitātēm un institūtiem) kopš atklājuma brīža nešaubījās, ka signāls ir gravitācijas viļņi, tomēr bija vajadzīgs laiks, lai pamatotu sensacionālo vēstījumu. No septembra līdz februārim tika intensīvi strādāts pie rezultātu apstrādes un interpretācijas. Publicētie materiāli pārliecinoši ilustrē šo unikālo rezultātu. Pēc signāla amplitūdām un frekvences varēja noteikt bināro melno caurumu masas (m₁= 29M_O un m₁= 36M_O, kur M_O ir Saules masa), kā arī noteikt galaprodukta - saplūdušo melno caurumu masu (m = 62M_O), kas izrādījās mazāka par sākotnējo masu summu (Δm = 3M_O). Šī diference tika izstarota gravitācijas viļņu veidā. Pēc Einšteina formulas
(E = 3M_Oc², kur c ir gaismas ātrums) varēja novērtēt izstaroto enerģiju un jaudu. Šī ir lielākā jebkad astronomijā novērotā enerģija. Ņemot vērā reģistrētā signāla ilgumu (0.2 sekundes), var novērtēt gravitācijas viļņu jaudu 3M_Oc²/0.2s ~ 3.6x10⁴⁹W (10²⁴ reižu lielāka par Saules starojuma kopējo jaudu)! Viss process norisinājās sekundes desmitdaļās!

Pēc signālu laika nobīdes (~7 ms) varēja novērtēt gravitācijas viļņu avota virzienu un attālumu. Gravitācijas viļņi uz Zemes nonāca no Magelāna Mākoņa puses (divas spirālveida galaktikas Piena Ceļa galaktikas tuvumā); avota vidējais attālums ir ~ 1,3 miljardi gaismas gadu. Šis attālums noteikts ar lielu kļūdu, tomēr atbilst reģistrēto gravitācijas viļņu amplitūdai.

Nedaudz vēlāk, 0,4 sekundes pēc gravitācijas viļņu reģistrācijas, Fermi gamma staru orbitālā observatorija (satelīts γ- un rentgenstaru analīzei) uztvēra rentgenstaru signālu ar enerģiju ~50 keV, ko saista ar melno caurumu sistēmu pēc caurumu saplūšanas.

Pilns teksts žurnālā "Enerģija un Pasaule"
2016.gada, nr.2, aprīlis - maijs.