A legtöbb esetben a gravitáció hatásainak felismerése nem olyan nehéz. Az ejtőernyősök a föld felé rohannak, amikor kilépnek egy síkból, és az űrkutató távcsöveknek köszönhetően láthatja, hogy a fény galaxisok hatalmas csoportjai által lenyűgöző gyűrűkbe csapódnak. De különösen nehéznek bizonyult a gravitációs hullámok, a téridőben fellépő hullámok észlelése, amelyet egy erős kozmikus esemény vált ki.
kapcsolodo tartalom
- Ezek a tágabb kezek közé tartoznak egy galaktikus mosolygó arc és egy csillagközi rózsa
- Nem, még nem fedeztük fel a gravitációs hullámokat (mégis)
Az eddigi legtöbb kísérlet arra irányult, hogy a tér-idő hullámai várhatóan befolyásolják a fényt és az anyagot. Most az Egyesült Államok és Izrael tudósai úgy gondolják, hogy gyorsabban és olcsóbban találhatjuk meg a hullámokat, ha időben vizsgáljuk meg helyüket, nem pedig helyet.
A gravitációs hullámok vadászatát 1916 óta folytatják, amikor Albert Einstein jósolta, hogy ezeknek létezniük kell az általános relativitáselmélet részeként. Megállapította, hogy a tér-idő olyan, mint egy szövet, és amit gravitációként értünk, az a szövet görbülete, amelyet masszív tárgyak okoznak. Például egy takaróba felfüggesztett bowling-golyóként, a Föld hatalmas bolygónk az űr-idő körül görbül.
Az elmélet azt is sugallja, hogy amikor a nagyon masszív tárgyak, mint például a fekete lyukak összeolvadnak, a gravitációs robbanás a tér-időben kifelé terjedő hullámokat küld. Ezek felismerése nemcsak Einstein elméletének érvényesítését folytatná, hanem új ablakot nyitna meg az univerzumban, mert a tudósok gravitációs hullámok segítségével más módon láthatatlan eseményeket próbálhatnak kiosztani a kozmoszban. De a gravitációs hullámok bizonyítéka nagyrészt azért van, mert a hullámok egyre gyengébbek vannak, minél távolabb mennek, és sok gravitációs hullámforrás található az univerzum szélén, fény milliárdnyi távolságra.
Tavaly a BICEP2 elnevezésű kísérlet állítása szerint észlelte az elsődleges gravitációs hullám egy típusához kapcsolódó halk jeleket, amelyeket a korai világegyetemben egy hirtelen növekedési roham okozott. Az állítás azonban túl korai, mivel a későbbi elemzések csökkentették a bizalmat abban, hogy a BICEP2 csapata a Tejút porcsapásától többet lát.
Az Európai Űrügynökség 2034-ben induló tervezett eLISA-megfigyelőközpontja másfajta hullám észlelésére szolgál: milliherts-tartományú vagy alacsony frekvenciájú gravitációs hullámok, amelyeket a szupermasszív fekete lyukpárok összeolvadása generál. A tudósok szupermasszív fekete lyukakat fedeztek fel sok nagy galaxis központjában, beleértve a sajátunkat is. Két ilyen galaxis összeillesztése várhatóan olyan gravitációs hullámokat bocsát ki, amelyek terjedhetnek az univerzumban. Ezek megtalálásához az eLISA lézerekkel fog mérni az űrhajók flottájának távolságában bekövetkező apró változásokat, amelyeknek a gravitációs hullám elhaladásával kell történniük.
Egy új cikkben Avi Loeb a Harvard-Smithsonian Asztrofizikai Központban és Dani Maoz a Tel-Avivi Egyetemen rámutat arra, hogy az időmérés legújabb fejlesztései lehetővé tehetik, hogy az atomórák gyorsabban és olcsóbban észleljék a gravitációs hullámokat, mint az eLISA. Felvázolják a nap körül különböző pontjain elhelyezett atomórák sorozatának javaslatát, amely észlelheti az idő dilatációnak nevezett jelenséget, amikor a gravitációs hatások az idő lelassulását idézhetik elő.
Az eLISA-hoz hasonlóan a tervük megköveteli az űrhajók kialakulásának repülését és a lézerekkel történő kommunikációt is. De a távolság változásáról szóló információ továbbítása helyett a lézerek nyomon követik az űrhajó fedélzetére telepített szinkronizált atomórák közötti időbeli eltérések apró eltéréseit.
A várható időbeli változások csekélyek: "Egy milliárd milliárd részről beszélünk az időmérési pontosságban" - mondja Loeb. "Az ilyen típusú változások észleléséhez olyan órára van szüksége, amely nem veszíti el és nem veszíti el a másodperced egytizedét, még akkor sem, ha 4, 5 milliárd évig, vagy a Föld teljes korában működne."
A közelmúltig ez a fajta pontosság meghaladta a cézium elemmel rendelkező atomórák képességét, amelyek képezik az alapot a jelenlegi nemzetközi időmérési szabványhoz. De 2014 elején a Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézet (NIST) fizikusai bemutattak egy kísérleti „optikai rácsos” atomi órát, amely új világrekordokat állított fel mind a pontosság, mind a stabilitás szempontjából. Ezek az órák optikai frekvencián működnek, és így nagyobb pontosságot nyújtanak, mint a cézium atomórák, amelyek mikrohullámokra támaszkodnak az idő megtartására.
Az elméletben az optikai atomórák biztosíthatják a szükséges pontosságot a gravitációs hullámokból előre jelzett apró időeltolódások észleléséhez. Loeb és Maoz azt állítják, hogy tervezésük egyszerűbb lenne, és kevesebb költséggel érhető el, mert kevésbé nagy teljesítményű lézereket igényel, mint az eLISA-t. Az alacsonyabb pontosságú atomórákat már használják a GPS műholdakon, ezért Loeb szerint lehetővé kell tenni az új generációs atomórák űrbe történő továbbítását is.
Két, egymástól megfelelő távolságban elhelyezkedő űrhajó érzékelheti egy áthaladó gravitációs hullám csúcsát és alját. (Loeb et al., Arxiv.org) A legjobb megoldás az lenne, ha egy pár atomórát telepítenének olyan iker űrhajókra, amelyek megosztják a Föld körüli pályáját a Nap körül. Egy fő űrhajó szintén pályára állna, hogy koordinálja az órákból érkező jeleket. Az órát hordozó vízi járműveket kb. 93 millió mérföld távolságra kell elválasztani - nagyjából a föld és a nap közötti távolság, vagy egy csillagászati egység (AU).
"Ez egy szép véletlen egybeesés, mert egy AU valószínűleg nagyjából megegyezik egy hullámhossz felével egy [alacsony frekvenciájú] gravitációs hullámhoz, mint ahogy a tudósok azt gondolják, hogy a szupermasszív fekete lyukak összevonása" - mondja Loeb. Más szavakkal, pontosan ez lenne a megfelelő távolság a Naprendszeren áthaladó gravitációs hullám csúcsának és alsó részének érzékeléséhez, így az e két ponton elhelyezett atomórák a legnagyobb időtágulási hatásokkal járnának.
Jelenleg egy ilyen küldetés nincs egyetlen űrügynökség munkapadon vagy költségvetési javaslaton sem. Loeb azonban reméli, hogy az ötlet alaposabb tanulmányozást vált ki az eLISA alternatívákkal kapcsolatban. Az eLISA projekt "évtizedes vitákból részesült előnyben, ezért engedjék meg, hogy ezt az alternatív kialakítást legalább néhány hónapig tanulmányozzák, mielőtt elbocsátanák."
Loeb hozzáteszi, hogy számos, a jobb GPS pontossággal és a jobb kommunikációval járó, pontosabb atomi óráknak az űrben történő alkalmazásához számos gyakorlati alkalmazás létezik. Úgy gondolja, hogy az első optikai rácsos órákat üzleti célokból, nem pedig kormányzati ügynökségek indíthatják el üzleti célokra. "Ha ez megtörténik, minden tudomány, amelyből kikerülünk, melléktermék lesz" - mondja.
Jun Ye, a Colorado Egyetem fizikusa és a NIST munkatársa szerint Loeb és Maoz javaslata „új intellektuális frontot nyit” az optikai atomórák használatával az alapvető fizika tesztelésére, ideértve a gravitációs hullámok keresését is. "Optimista vagyok az optikai órák továbbfejlesztése és az ilyen alkalmazásokban való esetleges felhasználása szempontjából" - mondja Ye.
