W większości przypadków wykrycie skutków grawitacji nie jest takie trudne. Spadochroniarze pędzą w kierunku ziemi w momencie, gdy wychodzą z samolotu, a dzięki teleskopom kosmicznym widać, jak światło jest wypaczane w oszałamiające pierścienie przez ogromne grupy galaktyk. Jednak szczególnie trudne okazało się wykrycie fal grawitacyjnych, falujących w czasoprzestrzeni wywołanych przez potężne kosmiczne wydarzenie.
powiązana zawartość
- Te kosmiczne smakołyki obejmują galaktyczną buźkę i różę międzygwiezdną
- Nie, nie wykryliśmy fal grawitacyjnych (jeszcze)
Jak dotąd większość prób szukała sposobu, w jaki spodziewane jest, że fale czasoprzestrzenne wpłyną na światło i materię. Teraz naukowcy z USA i Izraela uważają, że moglibyśmy znaleźć fale szybciej i taniej, gdybyśmy szukali ich wpływu na czas zamiast na przestrzeń kosmiczną.
Polowanie na fale grawitacyjne trwa od 1916 roku, kiedy Albert Einstein przewidział, że powinny one istnieć jako część jego ogólnej teorii względności. Stwierdził, że czasoprzestrzeń jest jak tkanina, a to, co odczuwamy jako grawitację, to krzywizna w tej tkaninie spowodowana przez masywne przedmioty. Na przykład, jak kula do kręgli zawieszona w kocu, nasza ogromna planeta Ziemia krąży wokół niej w czasoprzestrzeni.
Teoria ta sugeruje również, że gdy bardzo masywne obiekty, takie jak czarne dziury, połączyły się, podmuch grawitacyjny wyśle fale, które rozchodzą się w czasoprzestrzeni. Ich wykrycie nie tylko kontynuowałoby weryfikację teorii Einsteina, ale otworzyłoby nowe okno na wszechświat, ponieważ naukowcy mogliby wykorzystać fale grawitacyjne do zbadania w inny sposób niewidocznych zdarzeń w kosmosie. Jednak dowód na to, że fale grawitacyjne są nieuchwytne, w dużej mierze dlatego, że im słabiej, im dalej się przemieszczają, a wiele źródeł fal grawitacyjnych znajduje się na krawędzi wszechświata, w odległości miliardów lat świetlnych.
W ubiegłym roku eksperyment o nazwie BICEP2 stwierdził, że wykrył słabe sygnały związane z rodzajem pierwotnej fali grawitacyjnej, wywołane nagłym przyspieszeniem wzrostu we wczesnym wszechświecie. Twierdzenie to było jednak przedwczesne, ponieważ późniejsze analizy zmniejszyły pewność, że zespół BICEP2 widział coś więcej niż wirujący pył w Drodze Mlecznej.
Planowane obserwatorium eLISA Europejskiej Agencji Kosmicznej, które ma zostać uruchomione w 2034 r., Ma na celu wykrywanie innego rodzaju fali: fal miliwhercowych lub fal grawitacyjnych o niskiej częstotliwości generowanych przez połączenie par supermasywnych czarnych dziur. Naukowcy odkryli supermasywne czarne dziury w centrach wielu dużych galaktyk, w tym naszej własnej. Przewiduje się, że koalescencja dwóch takich galaktyk wyemituje fale grawitacyjne, które mogą rozprzestrzeniać się we wszechświecie. Aby je znaleźć, eLISA użyje laserów do pomiaru niewielkich zmian w rozstawie floty statku kosmicznego, które powinny wystąpić, gdy przechodzi fala grawitacyjna.
W nowym artykule Avi Loeb z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics i Dani Maoz z Tel Aviv University wskazują, że ostatnie postępy w pomiarach czasu mogą pozwolić zegarom atomowym na wykrywanie fal grawitacyjnych szybciej i taniej niż eLISA. Przedstawiają propozycję szeregu zegarów atomowych rozmieszczonych w różnych punktach wokół Słońca, które mogłyby wykryć zjawisko zwane dylatacją czasu, gdy efekty grawitacyjne mogą spowodować spowolnienie czasu.
Podobnie jak eLISA, ich plan wymaga również, by statek kosmiczny latał w formacji i komunikował się za pomocą laserów. Ale zamiast przekazywać informacje o zmianach odległości, lasery będą śledzić niewielkie rozbieżności w pomiarze czasu między zsynchronizowanymi zegarami atomowymi zainstalowanymi na pokładzie statku kosmicznego.
Przewidywane zmiany czasowe są niewielkie: „Mówimy o jednej części na milion trylionów w precyzji pomiaru czasu”, mówi Loeb. „Aby wykryć tego rodzaju zmianę, potrzebujesz zegara, który nie zyskuje ani nie traci tylko jednej dziesiątej sekundy, nawet gdyby działał przez 4, 5 miliarda lat lub przez cały wiek Ziemi”.
Do niedawna taka dokładność przekraczała możliwości zegarów atomowych wykorzystujących pierwiastek cezu, które są podstawą obecnego międzynarodowego standardu pomiaru czasu. Ale na początku 2014 r. Fizycy z National Institute of Standards and Technology (NIST) zaprezentowali eksperymentalny zegar atomowy z „siatką optyczną”, który ustanowił nowy rekord świata pod względem precyzji i stabilności. Zegary te działają na częstotliwościach optycznych, dzięki czemu zapewniają większą dokładność niż zegary atomowe cezu, które do utrzymywania czasu wykorzystują mikrofale.
Teoretycznie optyczne zegary atomowe mogą zapewnić precyzję niezbędną do wykrycia drobnych przesunięć czasowych przewidywanych na podstawie fal grawitacyjnych. Loeb i Maoz twierdzą, że ich konstrukcja byłaby prostsza i mogłaby zostać osiągnięta przy niższych kosztach, ponieważ wymagałaby mniej mocnych laserów niż eLISA. Zegary atomowe o mniejszej precyzji są już używane w satelitach GPS, więc Loeb uważa, że powinno być możliwe wysłanie nowej generacji zegarów atomowych w kosmos.
Dwa statki kosmiczne umieszczone w odpowiedniej odległości od siebie mogły wyczuć zarówno szczyt, jak i dolinę przechodzącej fali grawitacyjnej. (Loeb i in., Arxiv.org) Najlepszą konfiguracją byłaby para zegarów atomowych zainstalowanych na bliźniaczym statku kosmicznym, które dzielą orbitę Ziemi wokół Słońca. Główny statek kosmiczny będzie również na orbicie, aby koordynować sygnały pochodzące z zegarów. Statek z zegarem powinien być oddalony o około 93 miliony mil - mniej więcej o odległość między Ziemią a Słońcem lub jedną jednostką astronomiczną (AU).
„To niezły zbieg okoliczności, ponieważ jedna jednostka AU jest mniej więcej równa połowie długości fali dla fali grawitacyjnej [niskiej częstotliwości], tak jak naukowcy sądzą, że łączą się supermasywne czarne dziury” - mówi Loeb. Innymi słowy, byłaby to dokładnie właściwa odległość do wyczucia zarówno szczytu, jak i dołka fali grawitacyjnej przechodzącej przez układ słoneczny, więc zegary atomowe umieszczone w tych dwóch punktach doświadczyłyby największych efektów dylatacji czasu.
Na razie takiej misji nie ma na stole warsztatowym ani w propozycji budżetu agencji kosmicznej. Loeb ma jednak nadzieję, że pomysł spowoduje dokładniejsze badanie alternatyw eLISA. Projekt eLISA „skorzystał z dziesięcioleci dyskusji, dlatego powinniśmy pozwolić na zbadanie tego alternatywnego projektu przynajmniej przez kilka miesięcy przed jego odrzuceniem”.
Loeb dodaje, że istnieje wiele praktycznych zastosowań posiadania dokładniejszych zegarów atomowych w przestrzeni kosmicznej, takich jak lepsza dokładność GPS i lepsza komunikacja. Uważa, że pierwsze optyczne zegary sieciowe mogą być uruchamiane przez firmy w celach komercyjnych, a nie przez agencje rządowe. „Jeśli tak się stanie, każda nauka, którą z tego uzyskamy, będzie produktem ubocznym”, mówi.
Jun Ye, fizyk z University of Colorado i członek NIST, mówi, że propozycja Loeba i Maoza „otwiera nowy intelektualny front” na temat wykorzystania optycznych zegarów atomowych do testowania fundamentalnej fizyki, w tym poszukiwania fal grawitacyjnych. „Jestem optymistą co do dalszego ulepszania zegarów optycznych i ich ostatecznego wykorzystania w takich aplikacjach”, mówi Ye.
