За първи път се търсят гравитационни вълни през гравитационните лещи

Ваня Милева Последна промяна на 16 май 2024 в 00:00 3724 0

Гравитационните вълни могат да минат през лещите на масивни галактики, така че да се повторят като ехо. Сега учените се готвят да уловят първата такава и да изследват космическите тайни, които тя крие.

Кредит PICRYL, Public Domain

Гравитационните вълни могат да минат през лещите на масивни галактики, така че да се повторят като ехо. Сега учените се готвят да уловят първата такава и да изследват космическите тайни, които тя крие.

Гравитационните вълни могат да минат през лещите на масивни галактики, така че да се повторят като ехо. Сега учените се готвят да уловят първото такова ехо и да изследват космическите тайни, които то крие.

Чували ли сте за звездата, която умряла два пъти? През 2014 г. астрономите виждат експлозията на свръхновата Рефсдал. След това, 360 дни по-късно, тя избухва отново.

Тази странна поредица от събития се дължи на явление, наречено гравитационна леща, при което масивни обекти изкривяват тъканта на пространството достатъчно, за да предизвикат огъване на светлината. Пътят на проблясъка от свръхновата е бил променен по този начин по време на пътуването му до нас, така че части от него са поели по различни пътища и са пристигнали по различно време - в този екстремен случай с разлика от почти една година.

Светлината от далечната звезда, минавайки по различни пътища покрай гравитационната леща, пристига по различно време, което позволява измерването на разстоянието. Кредит: David Harvey/Universiteit van Leiden

Както показва тази история, гравитационната леща се използва за наблюдения от доста време, но сега е на път да навлезе в нова, вълнуваща перспектива. Учените знаят, че не само светлината може да бъде линзирана (т.е. огъната от леща), но и гравитационните вълни. Това е завладяваща концепция: самите пулсации в пространство-времето се изкривяват от кривината на пространството. Това е и изключително важно явление, което може да осветли тайните вътрешности на неутронните звезди, да разреши загадката за силата на тъмната енергия и да провери самата гравитация по-строго от всякога. А ето и най-хубавото: може би сме на прага на откриването на първата линзирана гравитационна вълна.

Никой не си прави илюзии, че това ще бъде изключително трудно. Все пак има усещане, че рано или късно това ще се случи - и има трикове, които могат да се използват, за да се ускори откритието. "Това е вълнуващо и ще се случи", заявява Саймън Бирер (Simon Birrer) от Университета "Стоуни Брук" в Ню Йорк. "Няма начин [такива вълни] да не съществуват."

Когато погледнем към космоса, той изглежда като празно пространство. Но за целите на космологията учените го възприемат като пространство-време, което малко прилича на разтеглив чаршаф. Според Общата теория на относителността на Алберт Айнщайн колкото по-масивен е един обект, толкова повече той изкривява тази основна тъкан на Вселената. Внезапните, драматични промени в масата - като например при сблъсък на черни дупки - предизвикват пулсации на тъканта - ефект, който наричаме гравитационна вълна.

Как LIGO вижда гравитационните вълни

Тези пулсации са засечени за първи път директно от Лазерната интерферометрична гравитационно-вълнова обсерватория (LIGO) в САЩ през 2015 г. Нейните детектори изстрелват лазерни лъчи по протежение на две перпендикулярни рамена, всяко с дължина 4 км. Детекторите могат да усетят дали преминава гравитационна вълна, благодарение на това, че тя смачква и разширява пространството, което рамената заемат, с много малко, променяйки разстоянието, което лъчите изминават един спрямо друг. Това първо откритие е обявено за огромно постижение и скоро след това получава Нобелова награда през 2017 г..

Тук може да видите "Гравитационните вълни, обяснени с котки, лисици и gif-чета".

Как работи LIGO? Кредит: LIGO

Оттогава досега са потвърдени около 90 открития в рамките на три кампании за наблюдение. Всяко от тях е резултат от сблъсък или сливане между две неутронни звезди, две черни дупки или по една от тях. Някои от сливанията на неутронни звезди са последвани от свръхярки видими експлозии, наречени килонови. Наблюдението на гравитационните вълни, генерирани от сливанията, дава много информация за обектите, които ги предизвикват, включително за разпределението на размерите им. Открити са дори т.нар. фонови гравитационни вълни - ниско ниво на бръмчене на такива пулсации, които произлизат от ранната Вселена.

Мъртвите звезди, наречени пулсари (на илюстрацията), излъчват снопове радиовълни, които преминават покрай Земята като по часовник. Предполага се, че гравитационните вълни от двойки свръхмасивни черни дупки (горе вляво) разкъсват тъканта на пространство-времето и променят времето на пулсарите. Мъртвите звезди, наречени пулсари (на илюстрацията), излъчват снопове радиовълни, които преминават покрай Земята като по часовник. Предполага се, че гравитационните вълни от двойки свръхмасивни черни дупки (горе вляво) разкъсват тъканта на пространство-времето и променят времето на пулсарите.

Сега LIGO е в четвъртия си цикъл на наблюдения, допълнен от още един детектор в Италия, наречен Virgo, и още един в Япония, Камиока детектор на гравитационни вълни (KAGRA). Очакванията са в този цикъл, който ще продължи до февруари 2025 г., да бъдат открити още стотици сливания. Съществува дори още един детектор, LIGO-Индия, който ще бъде открит по-късно през това десетилетие. Накратко, наблюденията на гравитационни вълни стават ежедневие.

Но в този случай рутината не означава скука. Колкото повече такива вълни се наблюдават, толкова по- голяма е вероятността да се уловят редки разновидности. Подобно на орнитолозите, които търпеливо чакат в укритието си, наблюдателите на гравитационни вълни усещат, че скоро могат да зърнат наистина необичайна птица.

Линзирани гравитационни вълни

Принципно, една линзирана гравитационна вълна работи много подобно на линзиран светлинен лъч (вж. схемата по-долу). Сливането създава вълни в пространство-времето, които се разпространяват във всички посоки. Ако между източника на пулсациите и Земята има някакъв масивен обект, например галактически куп, той изкривява пространство-времето и действа като леща. Това може да огъне някои от вълните, които се движат приблизително към Земята, като ги фокусира върху нас. При светлината това може да доведе до изкривени или повтарящи се изображения. В редки случаи може да се образува "пръстен на Айнщайн", при който полученото изображение е кръг, което се получава, когато източникът, линзиращият обект и наблюдателят са идеално подравнени.

При гравитационните вълни важи същото - вълната може да бъде изкривена, увеличена или дори повторена, подобно на ехо. "А това е просто изключително полезно за науката, която можем да правим", отбелязва Греъм Смит (Graham Smith) от Университета в Бирмингам, Великобритания.

Как работи гравитационната леща (1) Светлинните лъчи от ярък обект като галактика се разпространяват във всички посоки; (2) Тези лъчи се огъват от гравитацията на масивен обект като галактически клъстер; (3) Някои лъчи (оранжеви) пристигат на Земята по различно време или ъгъл, създавайки изкривени изображения. Подобен процес може да повлияе на гравитационните вълни. Кредит: NASA, ESA and L. Calçada.

Колко често трябва да се очаква да се откриват такива странни ехота?

През 2023 г. Смит и колегите му правят изчисления и дават оценка, че в най-добрия случай можем да очакваме 1 от 1000 открити гравитационни вълни да бъде линзирана. Като се има предвид, че се очаква да се наблюдават стотици такива в рамките на настоящото наблюдение, при късмет може да се случи така, че да се появи такава във всеки един момент.

На неотдавнашна научна среща за обсъждане на този въпрос бе постигнато съгласие, че до няколко години ще бъде наблюдавана линзирана гравитационна вълна. "Вероятно са нужни няколкостотин събития с гравитационни вълни, преди да се появи ["линзирана" вълна], което е нещо като границата, в която се намираме сега", твърди Теса Бейкър (Tessa Baker) от Университета в Портсмут, Великобритания.

Това ще бъде важен момент. Наблюдението на линзирани гравитационни вълни би трябвало да открие поне три нови пътя в науката. Първата включва измерване на скоростта на гравитацията.

Какво може да ни каже една преминала през леща гравитационна вълна

Според Общата теория на относителността гравитационните вълни трябва да се движат със скоростта на светлината. Наблюдението на линзирани вълни ще позволи да се провери това с безпрецедентна точност. Физиците търсят улики, които могат да доведат до квантова теория на гравитацията, а отклоненията от Общата теория на относителността биха могли да посочат пътя.

Степента на изкривяване на постъпващите сигнали от гравитационни вълни може да даде и важна информация за тъмната материя - необяснимата материя, за която се смята, че съставлява 85 % от материята на Вселената. Всеки намесен галактически куп би съдържал значителни количества тъмна материя, може би дори под формата на струпвания с масата на планети, разказва Бирер.

"В зависимост от това как е структурирана тъмната материя, тя ще създаде отпечатък в тези вълнови форми."

Това би могло да послужи за разграничаване на различните хипотези за това какво представлява тъмната материя и как се държи.

Още по-вълнуващо е, че някои видове линзирани гравитационни вълни могат да помогнат за разрешаването на един упорит проблем в космологията, известен като напрежението на Хъбъл.

Знаем, че Вселената се разширява с нарастващи темпове, задвижвана от загадъчна сила, наречена тъмна енергия. Астрономите могат да измерят тази скорост, известна като константата на Хъбъл, по два начина.

Единият е свързан с анализ на мащабните флуктуации в космическото микровълново фоново лъчение, което прониква във Вселената. Другият начин е да се наблюдават експлозиите на свръхнови, които са сравнително близо до нас. Тези методи обаче дават противоречиви стойности за скоростта на разширяване: около 73 километра в секунда на мегапарсек (мегапарсек е около 3 милиона светлинни години) в локалната Вселена, но 67 км/сек/Mpc в по-големи мащаби.

Наблюдението на гравитационна вълна през гравитационна леща ще доведе до друг начин за измерване на космическите разстояния и следователно до трета, независима мярка за константата на Хъбъл, която ще има много по-малка неопределеност от другите методи.

"Знаем, че сегашният ни стандартен космологичен модел е леко погрешен", заявява Бейкър. "Или има нещо, което е било погрешно моделирано, или има нова физика."

Наблюдението на линзирана гравитационна вълна няма да реши проблема с напрежението на Хъбъл за една нощ, но ще "добави много допълващи измервания", обяснява Бирер, помагайки за намиране на решение.

Това е добрата новина. Лошата новина е, че идентифицирането на линзирана гравитационна вълна само по сигнала, който LIGO открива, ще бъде изключително трудно. Търсенето на такава вълна в каталога на откритията на LIGO досега не е довело до нищо.

Когато светлината се огъва около гравитационна леща, ефектът е очевиден. Свръхновата "Рефсдал", наречена на норвежкия астроном Сюр Рефсдал, буквално се появява на небето два пъти. Не е от нещата, които астрономите могат да пропуснат. В сравнение с това гравитационната вълна, която е обект на леща, ще бъде незабележима. Сигналите, засечени от LIGO, са "чирпс": вълна, която рязко увеличава амплитудата си и след това изчезва. Линзирането би могло да им повлияе по няколко начина.

Първо, лещата може да увеличи амплитудата или силата на вълната. Проблемът е, че това не би било убедително: няма сигурен начин да се направи разлика между гравитационна вълна, получена чрез леща, и вълна, която просто идва от по-голямо или по-близко сливане.

"Със сигурност има сценарии, при които има линзиране на гравитационни вълни, но резултатът не би бил убедителен", коментира Ото Хануксела (Otto Hannuksela) от Китайския университет в Хонконг.

Как "пропастта на масите" може да ни помогне

Възможно е обаче да има заобиколен път.

От сигналите на LIGO може да се изведе масата на двата обекта, участващи в сливането, което поражда наблюдаваната гравитационна вълна. Въз основа на всички потвърдени досега открития на LIGO може да се заключи, че съществува "пропаст на масите" между най-тежките неутронни звезди, чиято маса е 2,2 пъти по-голяма от масата на Слънцето, и най-леките черни дупки, които започват от около 5 пъти по-голяма маса от слънчевата.

Графика, показваща масите на обявените гравитационно-вълнови събития. Вижда се пропастта на масите. Кредит: LIGO-Virgo / Frank Elavsky / Northwestern

Ако бъдат забелязани сливания с обекти предшественици, които изглежда са в тази пропаст на масите, може би всъщност се наблюдава сливане на неутронни звезди, увеличени от леща, ако резултантният обект изглежда по-голям, отколкото е в действителност.

"Някои от тях ще бъдат увеличени [от лещата] и ще попаднат в тази пропаст на масите", обяснява Анупрета Море (Anupreeta More) от Междууниверситетския център по астрономия и астрофизика (Inter-University Centre for Astronomy and Astrophysics) в Индия.

Вторият начин, по който лещата може да повлияе на гравитационните вълни, е просто да ги изкриви по труден за предвиждане начин.

Но третият начин е много по-обещаващ. В специални случаи вълната може да се повтори. В този случай ще се получат две почти идентични трептения, пристигащи едно след друго, като закъснението ще зависи от масата на лещата. Това би било много по-впечатляващо. И все пак откриването на някое от тези събития ще зависи от сложна обработка и интерпретация на сигнала. Именно затова ловците на гравитационно ехо имат още една добра възможност.

За да се осигури непробиваемо доказателство за наличието на гравитационна леща, в идеалния случай астрономите трябва да открият самата леща - обикновено галактически куп - и да покажат, че тя съвпада с източника от гледна точка на Земята. Но детекторите на LIGO могат да ограничат произхода на пространствено-времевите пулсации само до една относително широка област от небето. Затова те искат да привлекат на помощ нов телескоп.

Планът е да се опитат да открият видимата експлозия на килонова, излъчвана от сливането, което е предизвикало пулсациите. Тя пристига на Земята обикновено в рамките на около един ден след гравитационната вълна. Сканирането на небето, за да се открие това за толкова кратко време, ще бъде трудна задача. Но обсерваторията Вера К. Рубин на върха на Cerro PachÓn в Чили е един от най-модерните телескопи в света. Тя трябва да се включи в началото на 2025 г. и ще използва 8,4-метровото си огледало и огромна цифрова камера, за да прави огромни снимки на цялото небе.

Пръстенът на Айнщайн е предупредителен знак за гравитационна леща на видимата светлина. Кредит: NASA, ESA, А.Bolton (Harvard-Smithsonian CfA) и екипът на SLACS

Основната цел на Рубин е да извърши най-подробното ни изследване на нощното небе. За 10 години се очаква да бъдат заснети 40 милиарда космически обекта. Но през март Смит се среща с екипа на "Рубин", за да обсъдят дали телескопът би могъл от време на време да прави кратка пауза в изследването си и да се опита да открие видимия аналог на сигнал за линзирани гравитационни вълни. Федерика Бианко (Federica Bianco) от Университета на Делауеър, заместник-учен по проекта "Рубин", е запалена по тази идея и активно я проучва заедно със Смит.

Ролята на телескопа Вера Рубин

Ако и когато Смит и колегите му забележат вероятно изглеждаща като линзирана гравитационна вълна, те планират да уведомят телескопа Рубин. Той ще сканира небето, за да открие съответното проблясване, след което ще изпрати координатите на космическите обсерватории, включително на мощния космически телескоп "Джеймс Уеб", които след това ще могат да наблюдават подробно. Надеждата е, че целият този процес ще бъде автоматизиран, а танцът на телескопа, струващ няколко милиарда долара, ще трае само няколко минути.

Извършването на всичко това ще помогне да се идентифицира самата леща, което ще потвърди, че линзираната гравитационна вълна е истинска. Но това би било от решаващо значение и за разкриване на някои от научните възможности на подобно откриване. Например, измерването на скоростта на гравитационните вълни ще бъде възможно само ако може да се определи източникът на тези вълни с помощта на Рубин. Но освен това, това би открило още повече възможности за наука.

Досега е наблюдавана само една окончателна килонова. Това беше през август 2017 г., когато LIGO улови гравитационна вълна, известна като GW 170817, а астрономите успяха да открият и видят видимата експлозия, която последва 11 часа по-късно.

"Това първо засичане потвърди, че произходът на килоновите може да бъде от тези двойни неутронни звезди", посочва Море.

Обсерваторията "Вера К. Рубин" може да помогне да се открие източникът на линзирана гравитационна вълна Кредит: NOIRLab/NSF/AURA/P. Horálek

Изследването на килоновите звезди е важно най-вече заради факта, че тези експлозии може да са единствените достатъчно мощни събития, за да създадат половината от елементите в периодичната таблица - тези, които са по-тежки от желязото. Тази килонова от 2017 г. бе първият и единствен път, когато се наблюдават такива елементи - анализът на отделената светлина показа индивидуалните сигнатури на всеки елемент.

Но бе уловен само краят на експлозията. Мечтата на Смит и колегите му е, една линзирана гравитационна вълна да даде ранно предупреждение за килонова, която след това да се наблюдава от началото до края с телескопи. Това би могло да създаде пълна картина на синтеза на елементите и потенциално да даде отговор на важните въпроси за начина, по който той протича, включително дали килоновите произвеждат достатъчно тежки елементи, за да обяснят количествата, които виждаме във Вселената, или трябва да има друг източник.

Същият видим сигнал би могъл да съдържа отговори на фундаментални въпроси за това как се държи ядреният материал при екстремни условия. Неутронната звезда, както подсказва името ѝ, е сфера, съставена почти изцяло от неутрони, компресирани до невероятно налягане. Навсякъде другаде неутроните обикновено са вградени в атоми и физиците разполагат с хипотези, които описват как се държат те - но обикновено е невъзможно да се проверят извън стандартните атомни налягания и подреждания.

Неутронните звезди са единственото място, където може да се излезе далеч извън тези рамки. Отново, изучаването на експлозията на килонова може да ни покаже как реагират неутронните звезди, когато се сблъскват една с друга, като по този начин ни разкаже за неутроните в тях.

"Те са единственото място във Вселената, където това е възможно, така че това е голям успех", заявява Мат Никол (Matt Nicholl) от Кралския университет в Белфаст, Великобритания.

За да се видят едновременно линзираните килонови и гравитационни вълни от едно и също сливане, е необходимо LIGO и "Рубин" да работят едновременно, което може да не се случи още няколко години.

"Ще чакаме до около 2027 или 2028 г.", смята Смит.

Все пак винаги съществува възможността да видим намеци за линзирани гравитационни вълни преди това само в данните на LIGO. Ако това наистина се случи, макар и откриването да е двусмислено, това ще бъде вълнуващ момент на потенциално научно откритие.

"Трябва да сме готови", убеден е Смит.

Източник: We are about to hear echoes in the fabric of space for the first time,  New Scientist

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !