V večini primerov odkrivanje vplivov gravitacije ni tako težko. Padalci se v trenutku, ko izstopijo iz letala, odpravijo proti tlom in zahvaljujoč vesoljskim teleskopom lahko vidite, kako se svetloba zvija v osupljive obroče z množičnimi skupinami galaksij. Vendar se je izkazalo, da je težko zaznati gravitacijske valove, valovanje v vesolju in času, ki ga sproži močan kozmični dogodek.
Sorodne vsebine
- Ti prostorni priboljški vključujejo galaktični nasmejan obraz in medzobniško vrtnico
- Ne, nismo zaznali gravitacijskih valov (še)
Večina poskusov doslej je iskala način, kako se pričakuje, da bodo vesoljsko-časovni valovi vplivali na svetlobo in snov. Zdaj znanstveniki v ZDA in Izraelu mislijo, da bi valove lahko našli hitreje in ceneje, če bi iskali njihove vplive na čas namesto na vesolje.
Lov na gravitacijske valove traja od leta 1916, ko je Albert Einstein napovedal, da bi morali obstajati kot del njegove splošne teorije relativnosti. Ugotovil je, da je vesolje-čas kot tkanina, kar je težnost, je ukrivljenost v tej tkanini, ki jo povzročajo masivni predmeti. Tako kot žoga za balinanje, obešena v odeji, na primer naš ogromen planet Zemlja krivi prostor-čas okoli nje.
Teorija tudi nakazuje, da bo gravitacijski plavž, ko se združijo zelo masivni predmeti, kot so črne luknje, poslal veslanje, ki se širijo navzven skozi prostor-čas. Zaznavanje le-teh ne bi samo še naprej potrjevalo Einsteinove teorije, temveč bi odprlo novo okno v vesolje, saj bi znanstveniki lahko uporabili gravitacijske valove za sondiranje sicer nevidnih dogodkov po vesolju. Toda dokaz gravitacijskih valov je bil neizbežen, v veliki meri zato, ker valovi vse bolj potujejo, in veliko virov gravitacijskih valov najdemo na robu vesolja, ki je oddaljeno več milijard svetlobnih let.
Lani je poskus, imenovan BICEP2, trdil, da je zaznal šibke signale, povezane z vrsto prvobitnega gravitacijskega vala, ki ga je povzročil nenadni vzpon rasti v zgodnjem vesolju. Trditev je bila prezgodnja, saj so poznejše analize zmanjšale zaupanje, da je ekipa BICEP2 videla kaj več kot vrtinčenje prahu na Mlečni poti.
Načrtovani observatorij eLISA Evropske vesoljske agencije, ki naj bi bil predstavljen leta 2034, je zasnovan tako, da odkrije drugačne valove: milliherc ali nizkofrekvenčni gravitacijski valovi, ki nastanejo z združitvijo supermasivnih parov črnih lukenj. Znanstveniki so odkrili supermasivne črne luknje v središčih mnogih velikih galaksij, vključno z našo. Koalescenca dveh takih galaksij naj bi oddajala gravitacijske valove, ki se lahko širijo po vesolju. Če jih želite najti, bo eLISA uporabila laserje za merjenje drobnih sprememb v razmiku flote vesoljskih plovil, ki bi se morale zgoditi, ko bi gravitacijski val šel mimo.
V novem prispevku Avi Loeb iz Harvard-Smithsonian Centra za astrofiziko in Dani Maoz na Univerzi v Tel Avivu opozarjajo, da bi nedavni napredek v časovnem varstvu lahko omogočil atomskim uram hitrejše in cenejše zaznavanje gravitacijskih valov kot eLISA. Predstavljajo predlog niza atomskih ur, nameščenih na različnih točkah okoli sonca, ki bi lahko zaznali pojav, imenovan časovna dilatacija, ko lahko gravitacijski učinki povzročijo čas, da se upočasni.
Tako kot eLISA tudi njihov načrt zahteva, da vesoljska plovila letijo v formaciji in komunicirajo z laserji. Toda namesto da bi posredovali informacije o spremembah v razdalji, bodo laserji spremljali drobna odstopanja v časovnem nadzoru med sinhroniziranimi atomskimi urami, nameščenimi na vesoljskem plovilu.
Predvidene časovne spremembe so majhne: "Govorimo o enem delu v milijon trilijonov s časovno natančnostjo, " pravi Loeb. "Če želite zaznati tovrstne spremembe, potrebujete uro, ki ne bo pridobila niti izgubila le ene desetine sekunde, tudi če bi delovala 4, 5 milijarde let ali celotno starost Zemlje."
Do nedavnega je bila točna natančnost presegajo možnosti atomske ure, ki uporabljajo element cezij, ki je osnova za trenutni mednarodni standard merjenja časa. Toda v začetku leta 2014 so fiziki na Nacionalnem inštitutu za standarde in tehnologijo (NIST) razkrili eksperimentalno atomsko uro z "optično rešetko", ki je postavila nove svetovne rekorde tako glede natančnosti kot stabilnosti. Te ure delujejo na optičnih frekvencah in tako zagotavljajo večjo natančnost kot atomske ure cezija, ki se zanašajo na mikrovalove.
V teoriji lahko optične atomske ure zagotavljajo natančnost, potrebno za zaznavanje drobnih časovnih premikov, ki jih napovedujejo gravitacijski valovi. Loeb in Maoz trdita, da bi bila njihova zasnova enostavnejša in bi jo bilo mogoče doseči za manjše stroške, saj bi potrebovali manj zmogljive laserje kot eLISA. Atomske ure manjše natančnosti se že uporabljajo na satelitih GPS, zato Loeb meni, da bi moralo biti možno v vesolje poslati tudi novo generacijo atomske ure.
Dve vesoljski ladji, ki sta bili postavljeni na pravi razdalji, sta lahko zaznali vrh in korito minljivega gravitacijskega vala. (Loeb in sod., Arxiv.org) Najboljša namestitev bi bil par atomskih ur, nameščenih na dvojnih vesoljskih ladjah, ki si delijo Zemljino orbito okoli sonca. V orbiti bi bilo tudi glavno vesoljsko plovilo, ki bi usklajevalo signale, ki prihajajo iz ur. Plovila, ki nosijo uro, naj bodo ločena s približno 93 milijoni milj - približno razdalja med Zemljo in soncem ali eno astronomsko enoto (AU).
"To je lepo naključje, ker je ena AU približno enaka polovici valovne dolžine [nizkofrekvenčnega] gravitacijskega vala, kot to mislijo znanstveniki, ki jih združujejo supermasivne črne luknje, " pravi Loeb. Z drugimi besedami, to bi bila ravno prava razdalja, ki bi zaznala vrh in korito gravitacijskega vala, ki poteka skozi osončje, zato bi atomske ure, nameščene na teh dveh točkah, doživele največje učinke dilatacije v času.
Taka misija za zdaj ni na nobenem delovnem mestu ali predlogu proračuna za vesoljske agencije. Toda Loeb upa, da bo ideja sprožila natančnejšo preučitev alternativ eLISA. Projekt eLISA "je bil deležen desetletja razprav, zato bi morali dovoliti, da se ta alternativni načrt preuči vsaj nekaj mesecev, preden ga zavrnemo."
Loeb dodaja, da obstajajo številne praktične aplikacije, ki vsebujejo natančnejše atomske ure v vesolju, na primer boljšo natančnost GPS in izboljšano komunikacijo. Meni, da bi lahko prve ure z optičnimi rešetkami začela podjetja za komercialne namene, ne pa vladne agencije. "Če se to zgodi, bi bila vsaka znanost, ki jo bomo dobili, stranski produkt, " pravi.
Jun Ye, fizik na univerzi v Koloradu in sodelavec iz NIST, pravi, da Loeb in Maozov predlog "odpira novo intelektualno fronto" o uporabi optičnih atomskih ur za testiranje osnovne fizike, vključno z iskanjem gravitacijskih valov. "Sem optimističen glede nadaljnjega izboljšanja optičnih ur in njihove morebitne uporabe v takih aplikacijah, " pravi Ye.
