Fale grawitacyjne

Z Wikipedii

Fale grawitacyjne jest to rodzaj fali w polu grawitacyjnym. Hipotetyczna cząstka niosąca kwant fali grawitacyjnej to grawiton. Fala grawitacyjna to przemieszczająca się z prędkością światła zmarszczka w czasoprzestrzeni. Objawia się ona cyklicznymi zmianami sił grawitacyjnych oraz zmianami w dylatacji czasu. Źródłem fal grawitacyjnych jest ciało poruszające się z przyspieszeniem, do uzyskania obserwowalnych efektów ciało musi mieć bardzo duże przyspieszenie i ogromną masę. Obiekt emitujący fale traci energię, która unoszona jest w postaci promieniowania.

Uwaga: czasem falami grawitacyjnymi (ang. gravity waves), nazywa się fale powierzchniowe (np. na wodzie) lub niektóre rodzaje oscylacji gwiazd zmiennych, w których rolę siły przywracającej gra przyspieszenie grawitacyjne.

Spis treści 1 Podstawy teoretyczne 2 Dowód pośredni 3 Próby obserwacji 4 Hipoteza nadprzewodników 5 Analizy statystyczne 6 Zobacz też 7 Linki zewnętrzne

[edytuj] Podstawy teoretyczne

Istnienie fal grawitacyjnych wynika z ogólnej teorii względności, sformułowanej przez Alberta Einsteina, której równania są nieliniowe, co powoduje:

• Rozwiązania równań nie tworzą przestrzeni liniowej, co oznacza, że nie obejmuje ich zasada superpozycji, przez co są dużo trudniejsze do rozwiązania niż równania Maxwella.
• Fale grawitacyjne oddziaływają ze sobą a nie tylko z materią, w efekcie zjawisko interferencji jest zupełnie inne niż dla fal elektromagnetycznych.

[edytuj] Dowód pośredni

Dla słabych fal grawitacyjnych nieliniowe równania dają się zaproksymować do postaci zlinearyzowanej ogólnej teorii względności. Obliczenia stały się dużo prostsze, co pozwoliło na symulację wpływu fal grawitacyjnych na gwiazdy neutronowe. Okazało się, że dwa bardzo szybko obiegające się obiekty będą zwalniać na skutek emisji energii w postaci fal grawitacyjnych. Zjawisko to zostało pośrednio zaobserwowane przez Russella Hulse'a oraz Josepha Taylora. Pomiary ruchu dwóch gwiazd neutronowych dokładnie pokryły się z przewidywaniami ogólnej teorii względności. Obaj naukowcy za swoje odkrycie otrzymali w 1993 roku nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

W roku 1999 opublikowano wyniki obserwacji satelity ROSAT. Odkrył on źródło promieniowania rentgenowskiego, które oznaczono jako J0806. Późniejsze obserwacje wykazały, że jest to jeden obracający się lub dwa orbitujące wokół siebie białe karły.

W okresie od 6 stycznia do 22 listopada roku 2004 rentegenowski teleskop kosmiczny Chandra wykonał szereg obserwacji J0806 w zakresie miękkich promieni X. Określono częstotliwość zmian promieniowania na 3,1101380±0,0000000006×10^-3 Hz. Astronomowie postawili hipotezę według, której J0806 to układ dwóch niezwykle bliskich sobie białych karłów, które okrążają się, co 5 min 21,53s.

Odległość między nimi oszacowano na 80 000 km, czyli zaledwie czwartą część odległości między Ziemią i Księżycem. Prędkość orbitalna białych karłów została określona w przybliżeniu jako 800 km/s, a ich masa jako połowa masy Słońca. Tak szybki ruch dwóch bardzo ciężkich obiektów we wspólnym polu grawitacyjnym powinien prowadzić do utraty energii mechanicznej w postaci fal grawitacyjnych

Dokładne pomiary wykazały, że częstotliwość zmian natężenia promieniowania rentgenowskiego zmniejsza się w ciągu każdej sekundy o 3,77±0,8×10^-16 Hz. W ciągu tysiąca lat okres obiegu zmniejsza się o zawrotną wartość 1,23 s. Moc emitowanej w postaci fal grawitacyjnych energii oszacowano na 1,5 ×10³² W. Energia fal grawitacyjnych emitowanych w ciągu sekundy przez układ J0806 jest 400 000 razy większa niż cała energia wytwarzana przez Słońce.

Obiekt J0806 znajduje się zaledwie 1600 lat świetlnych od Ziemi, co czyni go jednym z najłatwiejszych do wykrycia źródeł fal grawitacyjnych w naszym kosmicznym sąsiedztwie. W roku 2014 agencje NASA i ESA zamierzają razem wystrzelić zespół sond LISA. Będą one poszukiwać fal grawitacyjnych. Ich czułość powinna pozwolić na wykrycie zmarszczek czasoprzestrzeni wytwarzanych w układzie J0806, co może potwierdzić hipotezy astronomów.

Bibliografia:

• Strohmayer T.E. Precision X-ray Timing of RX J0806.3+1527 with CHANDRA: Evidence for Gravitional Radiation from Ultracompact Binary 6 kwietnia 2005 arXvi PDF
• Hupp E., Roy S.,Watzke M. NASA Sees Orbiting Stars Flooding Space With Gravitational Waves 31 maja 2005 Strona NASA HTML

[edytuj] Próby obserwacji

Do chwili obecnej nikomu nie udało się odebrać fal grawitacyjnych z kosmosu. Jeżeli przez naszą planetę przeniknie taka fala, spowoduje to chwilowe rozciągnięcie i skurczenie się wszystkich obiektów. Dla przewidywalnych teoretycznie fal wartości odkształcenia obiektu o długości 400 km są mniejsze niż 10^-19 m. Tak małe wartości niesamowicie utrudniają detekcję fal grawitacyjnych, a bez tego pomiaru nie można być do końca pewnym ich istnienia. Jednak dzięki zastosowaniu interferometru laserowego możliwe jest zbudowanie detektora fal grawitacyjnych.

[edytuj] Hipoteza nadprzewodników

Na początku roku 2002 Raymond Y. Chiao z Uniwersytetu w Princeton zaproponował hipotezę, według której nadprzewodnik jest w stanie przekształcić odpowiedni rodzaj promieniowania mikrofalowego w fale grawitacyjne. Naukowiec stwierdził, że możliwe jest również odwrotne przekształcenie. Fale grawitacyjne mogą wywołać w nadprzewodniku emisję promieniowania elektromagnetycznego. Hipoteza Chiao opiera się na założeniu, że fale grawitacyjne opisują zależności zbliżone do równań Maxwella.

Prowadzone są eksperymenty, które obalą lub potwierdzą tę hipotezę. Jeżeli okaże się ona prawdziwa, to fale grawitacyjne mogą pozwolić na przekazywanie informacji przez środek Ziemi, ponieważ zwykła materia prawie ich nie pochłania. Jednak ich detektorem może być tylko nadprzewodnik schłodzony do bardzo niskiej temperatury, co na pewno utrudni zastosowanie fal grawitacyjnych do komunikacji.

[edytuj] Analizy statystyczne

W listopadzie 2002 roku zespół badawczy z Włoch pracujący w Narodowym Instytucie Fizyki Nuklearnej (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) oraz na Uniwersytecie Rzymskim przeprowadził statystyczną analizę danych ze wszystkich detektorów. Może być ona traktowana jako pośredni dowód na detekcję fal grawitacyjnych. Obliczenia wykazały, że najsilniejsze fale grawitacyjne docierają do nas z centrum Drogi Mlecznej.

[edytuj] Zobacz też

• fale materii
• teoria fotonowa
• zasada nieoznaczoności
• Einstein@home

[edytuj] Linki zewnętrzne

• Dyskusja na temat fal grawitacyjnych na USENET-cie (en)
• Hipoteza przetwarzania fal grawitacyjnych na elektromagnetyczne w nadprzewodniku (en)
• Praca Włoskich badaczy na temat detekcji fal grawitacyjnych (en)
• Informacje na temat detektorów fal grawitacyjnych (en)
• Na falach wszechświata (archiwum Wiedzy i Życie) (pl)
• Kwantowe zmarszczki czasoprzestrzeni (archiwum Wiedzy i Życie) (pl)
• Ekranowanie grawitacji (archiwum Wiedzy i Życie) (pl)