Neljast ülikoolist pärit teadlastest koosnev gravitasioonilainete uurijate meeskond on valitud osa võtma mainekast Kuningliku Ühingu Teaduse Suvenäitusest (Royal Society Summer Science Exhibition).
Näitus pealkirjaga "Kas sa kuuled musti auke põrkumas? (Could you hear black holes collide?)" tutvustab Einsteini relativistliku graviatsiooniteooria põhitõdesid.
Paljude eksponaatide abil näidatakse külastajatele aja ja ruumi suhtelisust ning selle seotust gravitatsiooniga. Selgitatakse mustade aukude olemust ja näitliku laserinterfomeetri abil tutvustatakse gravitatsioonilainete uurimist. Vaatamiseks pannakse välja ka kunstipärased simulatsioonid mustade aukude põrkumisest. Külastajaid lõbustab mäng, mille abil demonstreeritakse nõrkade signaalide eristamist detektorist saadud andmete müras.
Suur-Britannia peamine teadussaavutusi demonstreeriv näitus on avatud 30. juunist 3. juulini. Uurimismeeskondadel on võimalus pakkuda näitusele oma töid, mille hulgast valitakse parimad avalikkusele, meediale ja ka teistele teadlastele näitamiseks.
Gravitatsioon on geomeetria
Oma relatiivsusteooriatega pani Einstein paljuski aluse tänapäevasele füüsikale. Tema erirelatiivsusteooria põhineb sellel, et valguse kiirus on konstantne, sõltumata vaatleja liikumisest, sellest järeldub, et katsed aja ja ruumiga võivad anda üllatavaid tulemusi, kui need on seotud kiirustega, mis lähenevad valguse omale. Aeg näib aeglustuvat ja objektid lühenevat, mis näitab meile, et aega ja ruum ei ole midagi jäika, nagu me igapäevaelus harjunud oleme. Üldrelatiivsusteooria, mis ühendab relatiivuse gravitatsiooniga, muudab aja ja ruumi veel paindlikumaks: nad muutuvad, kui muutub maailm nende ümber.
Mustad augud
Einsteini garvaitatsiooniteooriast tulenevalt ei ole gravitatsioon mitte lihtsalt jõud, mis õunu maha kisub, vaid geomeetria. Mateeria olemasolu muudab aja ning ruumi geomeetriat, geomeetria omakorda määrab, kuidas mateeria liigub. Üks üldrelatiivsusteooria lummavamaid järeldusi on mustade aukude olemasolu. Mustad augud on tekkinud mateeriast, kuid nad ei ole mateeria, nad tekivad, kui suurtes tähtedes lõppeb kütus ja nad langevad oma enda raskuse all kokku. Selle kokkuvarisemise tagajärjel tekib piirkond, kus aegruumi kumerus on väga suur. Objektid, mis satuvad sellesse piirkonda – musta auku – ei pääse sealt enam minema, isegi mitte valgus.
On küllalt tugevaid tõendeid, et mustad augud ei ole Universumis haruldased. Nende olemasolu võib olla määrav galaktikate tekkimisel, usutakse, et peaaegu kõikide galaktikate südames on must auk. Praegu on aga nende moodustiste toimimisest vähe teada, me suudame hinnata nende massi ja ilmselt nad pöörlevad väga kiiresti, aga sellega ka meie teadmised sisuliselt piirduvad. Mustad augud on dünaamilised moodustised, mis on keskkonnaga vastastikmõjus, võimalik, et eksisteerivad kaksiksüsteemid teineteise ümber tiirlevatest mustadest aukudest. Erirelatiivusteooria kohaselt peaksid sellised süsteemid lõpetama kokkupõrkega, mis tekitab erakordseid aegruumi deformatsioone.
Gravitatsioonilaineid
Einsteini geomeetriline gravitatsiooniteooria väidab, et gravitasioonivälja muutused liiguvad läbi universumi laine kujul. Need lained, mida tihti kujutatakse aegruumi värelustena, tekivad alati, kui massiga objektid kiirendavad. Nende olemasolu pole veel otseselt tõestatud, kuid meil on tugevaid kaudseid tõendeid nende olemasolu kohta. Mõjuvaim tõend on pärit kaksik-neutrontähelt PSR1913+16. Kuna tähed tiirlevad ümber üksteise, siis nad kiirgavad gravitatsioonilaineid ja kaotavad energiat. Rohkem kui kolm kümnendidt kestnud vaatlused näitavad, et tähtede orbiidi kahanemine sobib täpselt üldrelatiivsusteooria poolt ennustatuga.
Gravitatsioonilained sarnanevad pigem heli kui pildiga: nii nagu helilained kannavad edasi infot muusikainstrumendi kohta, kannavad gravitatsioonilainet infot neid tekitanud sündmuse kohta.
Kõige tugevamad gravitatsioonilainete signaale tekitavad kõige karmimad sündmused Universumis, näiteks tohutute masside kiirendamine väikses ruumiosas. Oma väikese ruumala ja massi suhte tõttu on mustad augud eriti paljulubavad allikad. Kui me suudaks need signaalid detekteerida, leiaks me mustad augud üles ja saaks neid täpsemalt uurida.
Kuid isegi siis, kui laineid tekitavad sündmused on väga võimsad, kahaneb signaal kaugusega. Kuna enamik kosmoloogilistest sündmustest toimub maast kaugel, on maani jõudvad lained väga nõrgad.
Et need signaalid kinni püüda, on vaja väga tundlikke detektoreid, mis peavad olema võimalised registreerima muutusi, mille suurus ei ületa tuhandikku prootoni diameetrist, samal ajal, kui detektori enda diameeter on kilomeetrites. Suurusjärkude vahe on umbes sama, mis kauguse lähima täheni ja inimese juuksekarva läbimõõdu vahel. Tippteadus on loonud laserinterfomeetrid, et avastada pisikesi aegruumi värelusi ja terve rahvusvaheline ülitundlike dtektorite võrgustik registreerib muutusi gravitatsioonis.
On aga vaja keerulisi meetodeid, et eraldada väga nõrgad signaalid detektorite mürast, see arendustöö pakub väljakutseid ka edaspidiseks. Meetodite loomise eelduseks on korralik teoreetiline arusaamine gravitatsioonilainete allikatest, kuid üldrealatiivsusteooria võrrandeid, mis kirjeldavad mateeria ja aegruumi vahelisi vastastikmõjusid, on küll lihtne kirja panna, kuid saatanlikult raske lahendada. Enamasti tuleb leppida kas lihtustuste või superarvutite abil loodavate simulatsioonidega.
Pärast aastakümnete pikkust pingutust, on spiraalselt liikuvate ja ühinevate mustade aukude käitumise modelleerimisel saavutatud läbimurre. Saadud tulemused heidavad valgust mustade aukude vahelisele vastastikmõjule, samuti saadakse näidiseid, millega detektorite püütud signaale võrrelda.
Gravitastsioonilainete astronoomia
Uurides gravitatsiooni, uurime me tegelikult sõnumitoojat. Uurides mustadest aukudest kiirguvaid gravitatsioonilaineid, loodame me uuride nende kosmiliste moodustiste parameetreid, koostada aegruumi kõveruste täpseid kaarte ja kontrollida suure täpsusega Einsteini teooria paikapidavust.
Gravitatsioonilained võivad anda meile ka võimaluse uurida Universumi osi, mis jäävad seniste meetoditega kättesaamatuks. Need lained võivad meile avada akna Universumi tundmatusse ossa.
physorg.com
Vahendas: Kaarel Piip