Řecký filozof Pythagoras vysvětlil vesmír pomocí „hudby sfér“, na nichž se nebeské objekty pohybovaly v souladu s matematickými harmoniemi, aby vytvořily kosmickou symfonii druhů.
Dnes jsou astronomové ošetřeni touto éterickou „hudbou“ pokaždé, když odposlouchávají na vesmíru pomocí rádiové dalekohledy rozmotat jeho tajemství. Basový hučení, které slyší, je kombinací elektromagnetických podpisů nejoblíbenějších objektů ve vesmíru – Neutronové hvězdy (extrémně husté zbytky masivních hvězd, které explodovaly), Pulsars (rychle rotující neutronové hvězdy, které emitují paprsky elektromagnetického záření z jejich magnetických pólů) a Černé díry.
Snad nejvýznamnějšími poznámkami v této směsi jsou gravitační vlny, jemné vrásky v kosmickém kontinuu způsobeném prudkým pohybem masivních objektů jako v kataklyzmatických událostech, jako je sloučení černých děr nebo srážku neutronových hvězd, ohýbací prostor a čas. Tyto oscilace se šíří jako vlny při rychlosti světla a jejich nízký rachot lze vyzvednout gravitačními detektory vln, které měří, jak se vlny natahují a komprimují časoprostor mezi objekty, s nimiž se setkávají.
Deformace SpaceTime
Je zvědavé, že gravitační vlny jsou silné pouze na velkých kosmických měřítcích. Na menších měřítcích jsou extrémně slabé – tak slabé, že jsou schopni změnit pouze vzdálenost mezi zemí a Měsícem o menší než průměr atomu! A čím dál cestují tyto vlny, tím slabší se stávají, takže v době, kdy se dostanou na Zemi, je téměř nemožné měřit.
Astronomové staví speciální nástroje nazývané interferometry, které používají laserové světlo k detekci gravitačních vln. Například observatoř laserového interferometru (LIGO) v USA má dva detektory ve tvaru písmene L, jeden v Louisianě a druhou ve Washingtonu. Každý detektor má několik 4 km dlouhých ramen. Když je tyto paže poslán laserový paprsek, odráží se ho zpět zrcadly; Jakékoli zpoždění v odrazu naznačuje, že světlo je ovlivněno gravitačními vlnami.
V roce 1916 provedla obecná teorie relativity Alberta Einsteina dvě předpovědi. Jedním z nich bylo, že hvězdy a galaxie, kvůli jejich mši, ohýbají světlo, když se osnovovaly časoprostorem ve jevu zvaném gravitační čočky. To bylo experimentálně prokázáno v roce 1919. Druhou predikcí byla existence gravitačních vln, o nichž se v desetiletích podrobně projevilo, když se vědci přemýšleli, zda se jedná pouze o matematické konstrukty bez fyzické reality. Ve skutečnosti sám Einstein krátce zpochybnil svou existenci v roce 1937, což naznačuje, že by to mohly být teoretické artefakty a ne úplně to, co si zpočátku myslel.
Astronomové museli čekat do roku 2015, než byly poprvé vyzvednuty gravitační vlny, když detektory Ligo v USA zaznamenaly signály vycházející ze dvou sražených černých otvorů 1,3 miliardy světelných let. Najednou kosmologové, kteří do té doby mohli studovat pouze vesmír elektromagnetickými vlnami nebo částicemi, měli nástroj, s nímž bylo možné pozorovat pokrmu to, který Einstein předpověděl před stoletím.
Letecký pohled na místo detektoru ligo poblíž Livingstonu, USA, 2016. | Foto kredit: Ligo Laboratory/Reuters
„Cosmicra“
Pro detekci gravitačních vln musí být detektor izolován ze všech vibrací, které by mohly potenciálně zakrývat nepolapitelné signály. Takže i ty nejlepší observatoře gravitačních vln na světě-dva detektory Ligo v USA, Geo600 v Německu, Panna v Itálii a Kagra v Japonsku-mohou najít gravitační vlny od vzplanutí do 7 miliard světelných let od Země.
To se může změnit, protože kosmologové se těší na otevření nového okna na gravitační obloze na Měsíci. Vědci z Vanderbilt Lunar Labs v USA plánují instalovat detektor gravitační vlny, nazývaný laserový interferometr lunární anténa (LILA), na lunárním povrchu. Lila bude studovat gravitační vlny ve frekvencích sub-hertz, které nelze pozorovat suchozemskými detektory.
Trvale stínované polární oblasti Měsíce nabízejí ideální podmínky pro zaznamenávání gravitačních vln.
„Gravitace je kosmická.“ hadrA Měsíc nám umožňuje slyšet poznámky, které neslyšíme z žádného jiného místa v této sluneční soustavě, “řekl Karan Jani, ředitel iniciativy Vanderbilt Lunar Labs a profesor fyziky a astronomie, elektrické a počítačové inženýrství a komunikaci vědy a technologie na Vanderbilt University.
„Seismický šum (na Měsíci) je mnohem nižší než na Zemi a přirozené vakuum sedí přímo nad povrchem, což znamená, že k stavbě detektoru na Měsíci je nutná mnohem méně infrastruktura než v pozemských observatořích.“
Nábor Měsíce
Dr. Jani, který vede mezinárodní konsorcium, které staví Lilu, vysvětlil projekt e -mailem.
„První fáze, Lila Pioneer, může být postavena v tomto desetiletí se současnými lunárními přistávkami z amerických společností, jako je Blue Origin a Intuitive Machines, a z indického programu Chandrayaan. Další fáze, Lila Horizon, bude vyžadovat astronauti na lunárním povrchu pro nasazení.“
Navrhované fáze mise Lila. | Foto kredit: ARXIV: 2508.11631
Vědci si pohrávali s myšlenkou detektoru gravitační vlny založeného na měsíci od šedesátých let, kdy mise Apollo a dvě robotické sovětské kosmické lodi umístily na lunární povrch pět reflektorů, aby odrážely světlo zpět na Zemi. Měřením časového světla trvá cestování mezi Měsícem a zemí a vědci s vědomím rychlosti světla byli vědci schopni vypočítat vzdálenost pozemských měsíců s velkou přesností.
Takové přesné údaje přiměly některé astronomové, aby věřili, že samotný systém pozemských měsíců by mohl být potenciálním přirozeným gravitačním vlnovým detektorem, protože gravitační vlny neustále promývají přes systém dvou těl a vytvářejí malé odchylky na oběžné dráze měsíce, které lze sledovat.
„Asi každých 15 minut, gravitační vlna od kolize dvou černých děr zametá Země, Měsíc a dokonce i slunce,“ řekl Dr. Jani. „Účinek na oběžné dráhy těchto těl je tak malý, že pro praktické účely neexistuje.
Neznámá země
Pozemní observatoře mají hlavní handicap, protože mají pouze omezený rozsah detekce. Jsou citlivé na gravitační vlny ve 100 až 1 000 Hertzově pásmu, které ponechává širší gravitační vlnové spektrum neprozkoumané. Jiné kosmické interferometry, jako je laserový interferometr prostorová anténa (LISA), naplánované na spuštění ve 30. letech 20. století, to mohou napravit do té míry, protože mohou být dostatečně velké, aby byly citlivé na signály při velmi nízkých frekvencích.
Lisa se skládá ze tří satelitů v trojúhelníkové formaci, která bude konat Země, když planeta obíhá na slunci. Satelity budou monitorovat jejich relativní separace pomocí laserů a cítit změny způsobené procházením gravitačními vlnami, aby mohly být měřeny při nižších frekvencích. S délkou paže téměř milionkrát více než Ligo bude LISA schopna zaznamenat signály v rozmezí 0,1 Millihertz do 0,1 Hertz.
Hledání gravitačních vln na jiných frekvencích zahrnuje největší pole na světě na světě, pole čtvercového kilometru (SKA) v Austrálii a Jižní Africe, která prohledává frekvenční rozsah Nanohertz a detektory Ligo ve frekvenčním rozsahu Centihertz. Skutečnou výzvou pro vědce je však prozkoumat frekvenční rozsah gravitační vlny, který leží mezi vyšším (10-1 000 Hz) pásem pozemních observatořů a dolním pásem Hz v Lise.
„Astronomie Gravitační vlny Decihertz je nová hranice, která se v příštích dvou desetiletích potenciálně otevře,“ řekl Ajith Parameswaran z Mezinárodního centra pro teoretické vědy, Bengaluru. „Kromě Lily existuje mnoho návrhů na detektory Gravitační vln Decihertz,“ napsal v e -mailu.
„Patří mezi ně japonská vesmírná deci-hertz interferometr gravitační vlnová observatoř (Decigo), americká iniciativa pro detektor Tiango Space a anténa lunární gravitační vlny (LGWA).“
Okraj času a prostoru
Dr. Parameswaran také řekl, že indičtí vědci pracují na svém vlastním vlastním konceptu detektoru Decihertz. Indická iniciativa v pozorováních gravitačních vln (Indigo) je cestovní mapa pro vybudování pokročilé observatoře gravitační vlny, Ligo-India, v okrese Hingoli v Maháráštře. Po dokončení v roce 2030 se připojí k globální síti Ligo a očekává se, že v zemi poskytne velkou podporu astronomii gravitační vlny.
„Neexistuje žádná známá technologie, která by měla získat přístup k decihertzovým gravitačním vlnám ze Země nebo v hlubokém prostoru, s výjimkou budování detektoru na Měsíci,“ řekl Dr. Jani. „Gravitační vlny k nám přicházejí jako poznámky z různých kosmických.“ pořadíkaždý na jiném hřišti. SKA vyzvedne nejhlubší basové poznámky: pomalé pohyby masivních černých děr. Ligo v Indii a po celém světě poslouchá vysoké poznámky: ostré prasknutí z kolizačních hvězd. A decihertz gravitační vlny, jako je Lila, přinese mezi nimi chybějící poznámky, aby poprvé lidstvo slyšelo celou kosmickou symfonii. “
Astronomie gravitační vlny je stále v plenkách, ale rychle roste a slibuje bezprecedentní vhled do tajemství vesmíru. Klepnutím na celé spektrum gravitačních vln se astronomové mohou dívat zpět na samý okraj času a prostoru. Například rozsah Decihertz může pomoci při studiu černých děr středních hmoty, o nichž se předpokládá, že jsou stavebními kameny supermassivních černých děr nalezených v centrech galaxií.
Je dokonce možné, aby vědci používali celou galaxii Mléčné dráhy jako obrovský gravitační detektor vln monitorováním pulsarů. Když gravitační vlny zametají galaxií, změní vzdálenost zemního-pulsaru a spolu s ní Pulsarův frekvence. Pokud se astronomové dokážou naladit na tyto drobné změny frekvence, budou moci „poslouchat“ gravitační vlny z raného vesmíru vyprávění příběhu o jeho narození a vývoji.
Prakash Chandra je vědecký spisovatel.
