Wszechświat pamięta fale grawitacyjne – i możemy je znaleźć


Fale grawitacyjne przemykają po całym wszechświecie, falując w czasoprzestrzeni, wytwarzanej przez niektóre z najbardziej katastrofalnych wydarzeń.

Z udogodnieniami takimi jak Laserowy interferometr Obserwatorium fal grawitacyjnych (LIGO) i Panna, możemy teraz wykryć najsilniejsze z tych zmarszczek, gdy obmywają Ziemię. Ale fale grawitacyjne pozostawiają po sobie wspomnienie – trwałe zakrzywienie czasoprzestrzeni – gdy przechodzą, a my jesteśmy teraz na granicy możliwości wykrycia tego, co pozwala nam przesunąć nasze rozumienie grawitacji do granic możliwości.

Związane z: Polowanie na fale grawitacyjne: projekt interferometru laserowego LIGO na zdjęciach

Fale grawitacji

Pomimo tego, że ma ponad sto lat, Teoria ogólnej teorii względności Einsteina to nasze obecne rozumienie działania grawitacji. W tym ujęciu przestrzeń i czas są połączone w ujednoliconą strukturę znaną jako (nie ma tu niespodzianek) czasoprzestrzeni. Ta czasoprzestrzeń nie jest tylko stałym etapem, ale wygina się i wygina w odpowiedzi na obecność materii i energii.

To zginanie, wypaczanie i wyginanie czasoprzestrzeni następnie mówi o tym, jak się poruszać. W ogólności, teoria względności, wszystko – od kawałków światła po pędzące pociski i wybuchające statki kosmiczne, chce podróżować w linii prostej. Ale czasoprzestrzeń wokół nich jest wypaczona, zmuszając ich wszystkich do podążania zakrzywionymi trajektoriami – jak próba przekroczenia przełęczy w linii prostej, ale podążanie za szczytami i dolinami topografii.

Co nazywamy „powaga"jest zatem wynikiem całego tego wypaczenia czasoprzestrzeni i faktu, że poruszające się obiekty nie mają innego wyboru, jak podążać za krzywymi i falami otaczającej czasoprzestrzeni.

I jak każda inna elastyczna powierzchnia, czasoprzestrzeń nie tylko wygina się i wygina; wibruje również.

Jeśli staniesz na trampolinie, pochylisz ją. Jeśli ktoś spróbuje chodzić na trampolinie w pobliżu, poczuje „grawitację” i będzie zmuszony iść krętą ścieżką. Ale dość daleko od ciebie, nawet nie zauważą twojego wpływu grawitacji.

Ale jeśli zaczniesz podskakiwać na trampolinie, wyślesz fale i drżenie przez całą rzecz, a one nie będą w stanie wpływać na twój ruch.

Pamięć o przeszłości

Fale grawitacyjne działają w ten sam sposób, przenosząc energię poprzez zmarszczki w samej strukturze czasoprzestrzeni. Fale te powstają z prawie każdego możliwego ruchu, ale ponieważ grawitacja jest tak słaba (jest najsłabsza) siła natury miliardy razy ponad), a fale grawitacyjne są jeszcze słabsze, tylko najbardziej energiczne ruchy są w stanie wytworzyć fale, które można wykryć za pomocą instrumentów tutaj na Ziemi.

Do tej pory nasze obserwatoria fal grawitacyjnych LIGO i Panna zauważyły ​​dziesiątki kataklizmów, w tym połączenia masywnych czarne dziury i gwiazdy neutronowe. Fale grawitacyjne z tych zdarzeń falują w całym wszechświecie, obmywając Ziemię. Kiedy to robią, zawsze tak nieznacznie (jak w, mniej niż szerokość atomu) poruszają rzeczy.

Nawet ty. W tej chwili jesteś delikatnie ściskany i rozciągany przez fale grawitacyjne z gwałtownych wydarzeń odległych o miliardy lat świetlnych.

Możesz pomyśleć, że impreza się skończyła, gdy fala minie, jak młot zderzający się z tobą na plaży i zmywający brzeg. Grawitacja jest jednak trudna, a fale grawitacyjne są jeszcze trudniejsze.

Prawie każdy rodzaj ruchu uruchamia generowanie fali grawitacyjnej, od czarnych dziur uderzających w siebie, po machanie ręką. A nawet same fale grawitacyjne.

Gdy fale grawitacyjne falują w czasoprzestrzeni, stają się źródłem nowych fal grawitacyjnych, które stają się źródłem nowych fal grawitacyjnych, które stają się źródłem nowych fal grawitacyjnych i tak dalej. Każda nowa generacja fal jest słabsza od poprzedniej, ale efekt ten gromadzi się w czymś, co naukowcy nazywają czasoprzestrzenną „pamięcią” – trwałe zniekształcenie czasoprzestrzeni pozostawione po przejściu fali grawitacyjnej.

Innymi słowy, kiedy fale grawitacyjne obmywają cię, nie tylko rozciągasz się i ściskasz chwilowo. Kiedy wszystko zostanie powiedziane i zrobione, pozostaniesz trwale rozciągnięty.

Związane z: Obrazy: Czarne dziury wszechświata

Patrząc w przyszłość

Ponieważ fale grawitacyjne generowane przez fale grawitacyjne są tak słabe, nie znaleźliśmy jeszcze żadnych dowodów na tę „pamięć” czasoprzestrzenną, ale powinna tam być, czając się w danych pobranych przez LIGO i Pannę. To, co powinniśmy zobaczyć, to trwałe przesunięcie położenia detektorów, znacznie po przejściu potwierdzonego zdarzenia fali grawitacyjnej.

Niedawno zespół astronomów zbadał, czego potrzeba, aby w końcu zobaczyć pamięć fali grawitacyjnej. Ponieważ każde pojedyncze wykrycie pozostawia jedynie niewiarygodnie słabą pamięć, nie będziemy w stanie zobaczyć takich zjawisk jeden po drugim. Zamiast tego musimy dodać wiele zdarzeń, aby zebrać dowody potrzebne do wykrycia.

A ile wydarzeń będziemy potrzebować? Naukowcy przewidują, że będziemy musieli zarejestrować około 2000 osób czarna dziura łączy się zanim będziemy w stanie wykryć pozostawione trwałe wspomnienie. Ta liczba wykrytych przypadków nie nastąpi w najbliższym czasie, ale kolejna generacja obserwatoriów fal grawitacyjnych, które, miejmy nadzieję, zgromadzą około 10 zdarzeń dziennie, może znaleźć tę pamięć w ciągu roku obserwacji.

Ta stała pamięć czasoprzestrzenna powinna tam być – jeśli nasze przewidywania z ogólnej teorii względności są prawidłowe. A jeśli nie znajdziemy niczego po kilku latach poszukiwań, będziemy musieli ponownie zbadać nasze rozumienie grawitacji i sprawdzić, czy coś zapomnieliśmy.

Czytaj więcej: "Dzięki za pamięć: pomiar pamięci fal grawitacyjnych w pierwszym katalogu stanów nieustalonych fal grawitacyjnych LIGO / Virgo

Paul M. Sutter jest astrofizykiem Ohio State University, gospodarzem Zapytaj kosmonautę i Radio kosmicznei autor „Twoje miejsce we wszechświecie.„Sutter przyczynił się do napisania tego artykułu Space.com's Expert Voices: Op-Ed & Insights.

Możesz słuchać podcastu Ask A Spaceman iTunesOraz w Internecie pod adresem http://www.askaspaceman.com. Zadaj własne pytanie na Twitterze za pomocą #AskASpaceman lub obserwując Paula @PaulMattSutter i facebook.com/PaulMattSutter. Śledź nas na Twitterze @Spacedotcom lub Facebook.

Wszystko o Space Holiday 2019

Potrzebuje więcej miejsca? Subskrybuj nasz siostrzany tytuł „All About Space” najnowsze niesamowite wiadomości z ostatniej granicy! (Źródło zdjęcia: All About Space)