Generarea undelor gravitaţionale ca urmare a orbitării reciproce a două găuri negre. Reprezentare grafică

Undele gravitaţionale au fost prezise de Einstein în urmă cu un secol, dar de unde vin acestea? Ce tipuri distincte de unde gravitaţionale ar putea exista în cosmos? De ce este aşa dificil să detectăm unde gravitaţionale? Cum funcţionează detectoarele gravitaţionale? Ce obiecte din spaţiul cosmic pot declanşa unde gravitaţionale?


Paradoxal, scara undelor gravitaţionale este mică și imensă în același timp. În timp ce ondulaţiile pe care le provoacă sunt atât de mici, încât rămân aproape nedetectabile, lungimile lor de undă pot fi foarte mari: mult mai mari decât cele ale undelor electromagnetice cunoscute – de la unde radio la raze X – şi sunt folosite de astronomi pentru a cerceta spațiul.

Ce sunt undele gravitaționale? Aceste ondulaţii ale spațiu-timpului se produc ori de câte ori o masă semnificativă accelerează. Totuşi, este foarte puțin probabil să putem detecta undele gravitaționale generate de surse de pe Pământ, deoarece obiectele de pe planeta noastră nici nu sunt suficient de masive şi nici nu accelerează suficient de repede. Aşa încât suntem nevoiţi să căutăm semnale provenind de la surse din cosmos, unde masele și mișcările sunt la scară astronomică.

În ultimul timp au devenit posibile detectările de unde gravitaţionale produse de obiecte cereşti masive, astfel încât ele pot fi folosite ca instrument suplimentar pentru observarea evenimentelor cosmice şi a obiectelor din spaţiu – o perspectivă interesantă pentru astronomii de astăzi.


Ilustrație prezentând un satelit LISA, parte a unui viitor sistem de detectare a undelor gravitaționale care va fi amplasat în spațiu.
AIE/MM/exozet

 

Spectrul undelor gravitaţionale

La fel ca undele electromagnetice, undele gravitaţionale se deplasează cu viteza luminii. Și, la fel ca în cazul undelor electromagnetice, spectrul de unde gravitaționale este foarte larg, cu diferitele părți clasificate în funcție de frecvență. În general, frecvențele undelor gravitaționale sunt mult mai mici decât cele ale spectrului electromagnetic (cel mult câteva mii de hertzi, comparativ cu 1016 până la 1019 Hz pentru razele X). În consecință, ele au lungimi de undă mult mai mari, întinzându-se de la sute de kilometri până la dimensiuni comparabile cu cele ale Universului.

Intervalul de frecvență al unui semnal de undă gravitațională ne furnizează informații despre sursa sa: cu cât frecvența este mai mică, cu atât este mai mare masa implicată. De asemenea, frecvenţa le spune oamenilor de știință ce tip de detector să folosească pentru a căuta sursa, deoarece dimensiunea detectorului trebuie să fie comparabilă cu lungimea de undă a semnalului. Imaginea de mai jos prezintă gama completă de frecvenţe pentru undele gravitaționale, cu sursele care le produc și cu dispozitivele necesare pentru a le detecta corespunzător.

Interferometre terestre gigantice, precum LIGO (Observatorul de Unde Gravitaţionale prin Interferometrie Laser) și Virgo, sunt proiectate pentru a detecta undele gravitaționale de la capătul de sus al intervalului de frecvență, de la câteva zeci de hertzi până la câțiva kilohertzi. În plus, proiectul LISA (Antena Spațială cu Interferometrie Laser) – un grup de interferometre spațiale – este planificat pentru lansare în aproximativ zece ani. Folosind principii de proiectare similare detectoarelor terestre, LISA va acoperi frecvențele de unde gravitaționale într-un domeniu mai mic (1–10-5 Hz).

Undele gravitaționale de joasă frecvență afectează regularitatea emisiilor electromagnetice detectate de la pulsari, oferind un alt mijloc pentru detectare, de această dată în intervalul 10-6–10-9 Hz.

Şi, în cele din urmă, undele gravitaționale emise în Universul timpuriu ar fi putut lăsa o amprentă infimă asupra radiaţiei cosmice de fond. Acest semnal este urmărit, de exemplu, de către satelitul Planck, în domeniul frecvențelor undelor gravitaționale de 10-15–10-17 Hz. Lungimile de undă asociate cu aceste frecvențe extrem de joase ar fi la scara Universului însuși.


Spectrul undelor gravitaționale.
Axa orizontală prezintă frecvența (și lungimea de undă, care este inversa frecvenței) pe o scară logaritmică, culorile reprezentând lungimile de undă corespunzătoare (roșu = mai lung, albastru = mai scurt). Detectoarele prezentate sunt cele existente sau planificate, în timp ce sursele sunt cele despre care se știe că există și că pot produce unde gravitaționale detectabile.


Surse de unde gravitaţionale

Acceptând diversitatea surselor de unde gravitaționale, să analizăm pe scurt trei surse care produc unde cu frecvențe în domeniul accesibil detectoarelor terestre.

1. Supernovele

Când o stea gigantă roşie şi-a consumat mai tot combustibilul nuclear, se pierde echilibrul dintre reacțiile nucleare (care împing materia în afară) și gravitaţie (care atrage materia, ţinând-o laolaltă). Steaua se prăbușește în ea însăşi până ajunge la densitatea materiei nucleare (aproximativ 1017 kg/m3), ceea ce declanșează o undă de șoc care ejectează straturile exterioare ale stelei în spaţiu. Acest fenomen, numit 'supernova de tip II', produce o explozie puternică de neutrini şi o emisie de lumină care poate dura câteva zile. Atunci este emisă şi o rafală de unde gravitaționale, dar acestea pot fi detectate doar dacă supernova are loc în galaxia noastră sau în apropiere. Astfel de evenimente sunt foarte rare (câteva într-un secol), dar se întâmplă: supernova 1987A a fost observată acum 30 de ani.

2. Sisteme binare compacte

Obiectele compacte sunt stele care şi-au concentrat masa într-un volum neobişnuit de mic. Cele mai compacte sunt găurile negre: un asemenea obiect, având masa egală cu cea a Soarelui, ar avea un diametru de doar 3 km.

Un alt tip de obiecte compacte îl constituie stelele neutronice: gravitaţia le-a micşorat atât de mult, încât protonii şi electronii au fuzionat, formând neutroni.

Când două obiecte compacte se învârt unul în jurul celuilalt, teoria relativităţii generalizate prezice că sistemul pierde încet energie prin emisia de unde gravitaționale. În consecință, mișcarea lor se accelerează și respectivele stele se apropie. Deși această fază de spiralare interioară poate dura milioane de ani, există un vârf în emisia de unde gravitaționale înspre momentele finale, înainte de fuziunea celor două obiecte compacte. În anul 2015 au fost detectate cu succes unde gravitaționale produse de un astfel de eveniment cosmic.


Ilustrația prezintă (jos) urmele primei detectări de unde gravitaționale de către cele două observatoare LIGO.
Acestea sunt sincronizate cu evoluţia fuziunii găurii negre ce a produs undele în trei faze (imaginile de sus): 1 – spiralarea interioară, 2 – fuziunea, şi 3 - "ringdown", când s-a încheiat emisia de unde gravitaţionale.
LIGO, NSF, Aurore Simonnet (Sonoma State U.)


3. Pulsarii

Pulsarii se rotesc, fiind stelele neutronice magnetizate. Ca nişte faruri de navigaţie cosmică, ele emit un fascicul de unde electromagnetice la o frecvență de două ori mai mare decât frecvenţa de rotaţie a pulsarului, iar fascicolul poate fi detectat de telescoapele radio aflate pe traiectoria lui.

Teoretic, pulsarii ar trebui să emită şi unde gravitaționale în mod continuu, dar puterea acestor unde ar depinde de forma stelei (de abaterea de la sfericitate) – aceasta deoarece se presupune că obiectele perfect simetrice în raport cu axa lor (cum sunt sferele) nu radiază deloc unde gravitaționale. Ca și alte stele, pulsarii sunt probabil sfere aproape perfecte, iar faptul că nu au fost încă detectate unde gravitaționale de la vreun pulsar sugerează că eventualele lor neregularități de suprafață sunt foarte reduse.

 

Detectarea undelor gravitaţionale

Detectarea undelor gravitaţionale este o urmărire în condiţii extreme: aceasta presupune a găsi acea infimă vibrație care semnalizează trecerea unui front de unde gravitaționale care este complet îngropat în 'zgomot' – adică ascuns în oscilaţiile din multe alte surse. Pe planeta noastră rețeaua mondială de detectori de tip interferometru include în prezent patru instrumente: doi detectori LIGO în SUA, Virgo în Italia și GEO-600 în Germania. Un al cincilea detector (KAGRA, în Japonia) va deveni operaţional până la sfârșitul acestui deceniu, și există planuri pentru construirea unui al treilea detector LIGO în India, în deceniul următor.

Nici un detector nu poate pretinde că a detectat în mod izolat o undă gravitațională: aceasta trebuie să fie identificată de cel puțin două detectoare, altfel rata de alarme false – detectări neautentice datorate zgomotului – ar fi pur și simplu prea mare. Din acest motiv, toate datele înregistrate în rețea sunt analizate împreună, pentru a căuta semnale care coincid în timp și care apar asemănător în fiecare instrument.


Figura 2: Primele trei detectări ale undelor gravitaționale (de sus) pe 14 septembrie 2015, pe 26 decembrie 2015 și pe 4 ianuarie 2017, toate undele fiind produse prin fuzionarea găurilor negre. După cum arată aceste detecţii, fiecare semnal se dezvoltă gradat și se descompune rapid odată cu încheierea fuziunii. Axa orizontală reprezintă timpul de la momentul în care semnalul a fost observat pentru prima dată în detector, în timp ce axele verticale indică distorsiunile fracţionale infime înregistrate.
Proiectele de colaborare științifice LIGO și Virgo


Detectările de unde gravitaţionale realizate în 2015 și în 2017 generate de fuzionarea a două găuri negre au deschis o nouă fereastră asupra Universului – și totodată o nouă eră în astronomie. Semnalele undelor gravitaționale complementează mijloacele pe care oamenii de știință deja le utilizează pentru a observa Universul, inclusiv telescoapele care scanează spaţiul în diferite domenii ale spectrului electromagnetic. Informațiile sunt vehiculate în ambele sensuri: când se detectează un semnal potențial de undă gravitațională, se trimite o alertă către telescoape pentru a observa rapid regiunea considerată a conține sursa semnalului. La rândul lor, telescoapele pot cere detectoarelor de unde gravitaționale să caute omologul unui eveniment pe care tocmai l-au detectat.

Astfel, detectarea de unde electromagnetice, de particule și de unde gravitaționale de la aceeași sursă a devenit acum o posibilitate realistă. Și cu cât vom avea mai multe informaţii de la o sursă, cu atât vom înțelege mai profund ce poate fi aceasta.

Articol preluat de pe ScienceInSchool, tradus de Mircea Băduţ, modificat parţial de Scientia.