Enamikul juhtudel pole gravitatsiooni mõjude tuvastamine nii keeruline. Skydiversid kiirustavad maapinnast kohe, kui nad lennukist välja astuvad, ja tänu kosmoseteleskoopidele näete, et valgus masseeritakse galaktikate rühmituste abil uimastamisrõngasteks. Kuid eriti raske on tuvastada võimsa kosmilise sündmuse poolt esile kutsutud gravitatsioonilaineid, kosmose ajal tekkivaid laineid.
Seotud sisu
- Need kosmilised maiuspalad sisaldavad galaktilist naerunägu ja tähtedevahelist roosi
- Ei, me pole veel tuvastanud gravitatsioonilisi laineid (veel)
Enamik seniseid katseid on otsinud viisi, kuidas eeldatakse, et kosmose-aja veendumused mõjutavad valgust ja ainet. Nüüd arvavad USA ja Iisraeli teadlased, et leiame lained kiiremini ja odavamalt, kui otsida nende mõju ajas, mitte ruumis.
Gravitatsioonilainete jaht on kestnud alates 1916. aastast, kui Albert Einstein ennustas, et need peaksid eksisteerima tema üldise relatiivsusteooria osana. Ta leidis, et ruumi-aeg on nagu kangas ja mida me gravitatsioonina tajume, on selle kanga kumerus, mille põhjustavad massiivsed objektid. Nagu näiteks teki alla riputatud keeglikuul, kõverdub meie massiivne planeet Maa selle ümber kosmoseaega.
Teooria soovitab ka seda, et väga massiivsete objektide, näiteks mustade aukude ühinemisel saadavad gravitatsiooniline lööklaine väljumise väljumise läbi aegruumi. Nende tuvastamine ei jätkaks ainult Einsteini teooria valideerimist, vaid avaks uue akna universumis, sest teadlased saaksid kasutada gravitatsioonilaineid, et proovida mujal kosmoses nähtamatuid sündmusi. Kuid gravitatsiooniliste lainete tõestamine on olnud raske, suuresti seetõttu, et kaugemal nad laineteks nõrgemaks muutuvad, ja palju gravitatsioonilisi laineallikaid on universumi servas, miljardite valgusaastate kaugusel.
Eelmisel aastal väitis katse nimega BICEP2, et tuvastas varaseid universumi äkilise kasvu kiirenemise tõttu tekkivate primitiivse gravitatsioonilaine tüüpidega seotud nõrgad signaalid. Väide oli ennatlik, kuna hilisemad analüüsid vähendasid kindlustunnet, et BICEP2 meeskond nägi Linnuteel midagi muud kui tolmu keerutamist.
Euroopa Kosmoseagentuuri kavandatud eLISA vaatluskeskus, mis käivitatakse 2034. aastal, on mõeldud teistsuguste lainete tuvastamiseks: millihertsise ulatusega või madala sagedusega gravitatsioonilained, mis tekivad supermassiivsete musta augu paaride liitmisel. Teadlased on avastanud supermassiivsed mustad augud paljude suurte galaktikate, sealhulgas meie enda galaktikate keskmetest. Eeldatakse, et kahe sellise galaktika ühinemine kiirgab gravitatsioonilaineid, mis võivad levida kogu universumis. Nende leidmiseks kasutab eLISA lasereid, et mõõta pisikesi muutusi kosmoselaevastiku vahekaugustes, mis peaksid aset leidma, kui gravitatsiooniline laine möödub.
Uues artiklis osutavad Avi Loeb Harvard-Smithsoniani astrofüüsika keskuses ja Dani Maoz Tel Avivi ülikoolis, et hiljutised ajaarvestuse edusammud võimaldavad aatomkelladel tuvastada gravitatsioonilaineid kiiremini ja odavamalt kui eLISA. Nad visandavad ettepaneku päikesevalgust erinevates punktides paiknevate aatomkellade hulga kohta, mis võimaldaks tuvastada nähtust, mida nimetatakse aja laienemiseks, kui gravitatsioonilised mõjud võivad aeglustada.
Nagu eLISA, nõuab ka nende plaan moodustamisel lendavaid kosmoselaevu ja laseritega suhtlemist. Kuid selle asemel, et edastada teavet vahemaa muutuste kohta, jälgivad laserid kosmoselaeva pardale paigaldatud sünkroniseeritud aatomkellade pisikesi erinevusi ajaarvestuses.
Prognoositavad ajalised muutused on väikesed: "Me räägime ajaarvestamise täpsusega miljonist triljonist ühe osa kohta, " ütleb Loeb. "Sellise muutuse tuvastamiseks on vaja sellist kella, mis ei võtaks ega kaotaks ainult kümnendik sekundit, isegi kui see peaks töötama 4, 5 miljardit aastat või kogu Maa vanust."
Kuni viimase ajani ületas selline täpsus tseesiumielementi kasutavate aatomkellade võime, mis on praeguse rahvusvahelise ajaarvestuse standardi aluseks. Kuid 2014. aasta alguses avalikustasid riikliku standardite ja tehnoloogia instituudi (NIST) füüsikud eksperimentaalse “optilise võre” aatomkella, mis püstitas uued maailmarekordid nii täpsuse kui ka stabiilsuse jaoks. Need kellad töötavad optilistel sagedustel ja tagavad seega suurema täpsuse kui tseesiumi aatomkellad, mis toetuvad aja hoidmiseks mikrolainetele.
Teoreetiliselt võivad optilised aatomkellad pakkuda täpsust, mis on vajalik gravitatsiooniliste lainete põhjal ennustatud pisikeste ajaliste nihkete tuvastamiseks. Loeb ja Maoz väidavad, et nende disain oleks lihtsam ja seda oleks võimalik saavutada väiksemate kuludega, kuna see vajaks vähem võimsaid lasereid kui eLISA. Madalama täpsusega aatomkellasid kasutatakse juba GPS-satelliitidel, nii et Loebi arvates peaks olema võimalik saata ka uue põlvkonna aatomkellad kosmosesse.
Kaks kosmosesõidukit, mis paiknesid üksteisest üksteisest kaugel, võisid tunda nii mööduva gravitatsioonilaine tippu kui ka küna. (Loeb jt, arxiv.org) Parim seadistus oleks paar aatomkella, mis on paigaldatud kahele kosmoselaevale, mis jagavad Maa ümber tiirlevat orbiiti. Peamine kosmoselaev oleks ka orbiidil kelladelt tuleva signaali koordineerimiseks. Kella kandvat veesõidukit peaks eraldama umbes 93 miljonit miili - umbes Maa ja päikese vaheline kaugus ehk üks astronoomiline ühik.
"See on kena juhus, sest üks AU juhtub olema [madalsagedusliku] gravitatsioonilaine lainepikkusega umbes võrdne poolega, nagu teadlased arvavad, et supermassiivsete mustade aukude liitmine kiirgab, " ütleb Loeb. Teisisõnu, see oleks täpselt õige kaugus, et tajuda nii Päikesesüsteemi läbiva gravitatsioonilaine tippu kui ka madalaimat osa, nii et neisse kahte punkti paigutatud aatomkellad kogeksid kõige suuremat aja laienemise efekti.
Praegu pole sellist missiooni kosmoseagentuuri töötoas ega eelarveettepanekus. Kuid Loeb loodab, et idee käivitab eLISA alternatiivide hoolikama uurimise. ELISA projekt "sai kasu aastakümnetepikkustest aruteludest, seega peaksime lubama seda alternatiivset disaini uurida vähemalt mõni kuu enne selle vallandamist."
Loeb lisab, et täpsemate aatomkellade omamisest kosmoses on palju praktilisi rakendusi, näiteks parem GPS-i täpsus ja parem side. Ta arvab, et esimesi optilisi võrekellasid võiksid turule viia ärieesmärgid, mitte valitsusasutused. "Kui see juhtub, oleks iga teadus, mis me sellest välja saame, kõrvalsaaduse, " ütleb ta.
Colorado ülikooli füüsik ja NIST-i kolleeg Jun Ye ütleb, et Loebi ja Maozi ettepanek “avab uue intellektuaalse rinde” optiliste aatomkellade kasutamisel põhifüüsika katsetamiseks, sealhulgas gravitatsioonilainete otsimiseks. "Olen optimistlik optiliste kellade edasise parendamise ja nende võimaliku kasutamise osas sellistes rakendustes, " ütleb Ye.
