În cele mai multe cazuri, detectarea efectelor gravitației nu este atât de grea. Skydivers se grăbește spre pământ în momentul în care ies dintr-un avion și, datorită telescoapelor spațiale, puteți vedea lumina fiind deformată în inele uimitoare de grupări masive de galaxii. Dar s-a dovedit deosebit de greu de detectat undele gravitaționale, ondulări în spațiu-timp declanșate de un puternic eveniment cosmic.
Continut Asemanator
- Aceste tratamente spațioase includ o față zâmbetă galactică și un trandafir interstelar
- Nu, nu am detectat valuri gravitaționale (totuși)
Majoritatea încercărilor de până acum au căutat modul în care se preconizează că ondulările în spațiu-timp influențează lumina și materia. Acum oamenii de știință din SUA și Israel cred că am putea găsi valurile mai repede și mai ieftin dacă le căutăm efectele la timp, în loc de spațiu.
Vânătoarea valurilor gravitaționale este activă încă din 1916, când Albert Einstein a prezis că ar trebui să existe ca parte a teoriei sale generale despre relativitate. El a arătat că spațiul-timp este ca o țesătură, iar ceea ce simțim ca gravitație este o curbură în țesătura cauzată de obiecte masive. Ca o minge de bowling suspendată într-o pătură, de exemplu, planeta noastră masivă Pământ curbește spațiul-timp în jurul acesteia.
Teoria sugerează, de asemenea, că atunci când obiectele foarte masive precum găurile negre se contopesc, explozia gravitațională va trimite ondulări care se propagă spre exterior prin spațiu-timp. Detectarea lor nu numai că va continua să valideze teoria lui Einstein, ci ar deschide o nouă fereastră asupra universului, deoarece oamenii de știință ar putea folosi undele gravitaționale pentru a examina evenimentele invizibile în alt cosmos. Dar dovada undelor gravitaționale a fost evazivă, în mare parte, deoarece undele cresc din ce în ce mai departe, iar multe surse gravitaționale se găsesc la marginea universului, la miliarde de ani lumină.
Anul trecut, un experiment numit BICEP2 a susținut că a detectat semnalele slabe asociate cu un tip de undă gravitațională primordială, produs de o creștere bruscă de creștere în universul timpuriu. Revendicarea a fost prematură, însă, deoarece analizele ulterioare au redus încrederea că echipa BICEP2 a văzut altceva decât praf învolburat pe Calea Lactee.
Observatorul eLISA planificat al Agenției Spațiale Europene, care urmează să fie lansat în 2034, este conceput pentru a detecta un alt tip de undă: unde millihertz, sau cu frecvență joasă, unde gravitaționale generate de fuziunea perechilor de găuri negre supermasive. Oamenii de știință au descoperit găuri super-masive negre în centrele multor mari galaxii, inclusiv ale noastre. Se estimează că coalescența a două astfel de galaxii va emite unde gravitaționale care se pot propaga în univers. Pentru a le găsi, eLISA va folosi lasere pentru a măsura mici schimbări în distanțarea unei flote de nave spațiale, care ar trebui să se întâmple atunci când trece o undă gravitațională.
Într-o nouă lucrare, Avi Loeb de la Centrul de Astrofizică Harvard-Smithsonian și Dani Maoz de la Universitatea Tel Aviv subliniază că progresele recente ale cronologiei ar putea permite ceasurile atomice să detecteze undele gravitaționale mai rapid și mai ieftin decât eLISA. Ele conturează o propunere pentru o serie de ceasuri atomice staționate în diferite puncte din jurul soarelui, care ar putea detecta un fenomen numit dilatare a timpului, când efectele gravitaționale pot determina încetinirea timpului.
La fel ca eLISA, planul lor necesită, de asemenea, nave spațiale care zboară în formare și comunicarea folosind lasere. Dar, în loc să transmită informații despre schimbările de distanță, laserele vor urmări micile discrepanțe în cronometrare între ceasurile atomice sincronizate instalate la bordul navei spațiale.
Modificările temporale prognozate sunt minuscule: „Vorbim despre o parte dintr-un milion de trilioane în precizia sincronizării”, spune Loeb. "Pentru a detecta acest tip de schimbare, aveți nevoie de un ceas care nu va câștiga și nici nu va pierde doar o zecime de secundă, chiar dacă ar funcționa timp de 4, 5 miliarde de ani sau întreaga vârstă a Pământului."
Până de curând, acest tip de precizie depășea capacitatea ceasurilor atomice care folosesc elementul de cesiu, care stau la baza standardului internațional actual de cronometrare. Însă la începutul anului 2014, fizicienii de la Institutul Național de Standarde și Tehnologie (NIST) au dezvăluit un ceas atomic „grilă optică” experimentală care a stabilit noi recorduri mondiale atât pentru precizie, cât și pentru stabilitate. Aceste ceasuri funcționează la frecvențe optice și asigură astfel o precizie mai mare decât ceasurile atomice de cesiu, care se bazează pe microunde pentru a menține timpul.
În teorie, ceasurile atomice optice pot oferi precizia necesară pentru a detecta minusurile schimbări de timp prognozate de unde gravitaționale. Loeb și Maoz susțin că designul lor ar fi mai simplu și ar putea fi obținut cu costuri mai mici, deoarece ar necesita lasere mai puțin puternice decât eLISA. Ceasurile atomice cu o precizie mai mică sunt deja utilizate pe sateliții GPS, astfel încât Loeb consideră că ar trebui să fie posibil să trimită și noua generație de ceasuri atomice în spațiu.
Două nave spațiale amplasate la distanța corectă pot simți atât vârful cât și jgheabul unei valuri gravitaționale trecătoare. (Loeb și colab., Arxiv.org) Cea mai bună configurare ar fi o pereche de ceasuri atomice instalate pe nave spațiale gemene care împărtășesc orbita Pământului în jurul soarelui. O navă spațială principală ar fi, de asemenea, pe orbită pentru a coordona semnalele venite de la ceasuri. Nava care poartă ceas ar trebui separată cu aproximativ 93 de milioane de mile - aproximativ distanța dintre Pământ și Soare, sau o unitate astronomică (AU).
„Este o coincidență plăcută, pentru că se întâmplă ca o UA să fie aproximativ egală cu jumătate de lungime de undă pentru o undă gravitațională [cu frecvență joasă], cum ar fi oamenii de știință care cred că fuzionează găuri negre supermasive”, spune Loeb. Cu alte cuvinte, aceasta ar fi exact distanța corectă pentru a sesiza atât vârful, cât și jgheabul unei unde gravitaționale care trece prin sistemul solar, astfel încât ceasurile atomice poziționate în aceste două puncte vor avea cele mai mari efecte de dilatare a timpului.
Deocamdată o astfel de misiune nu se află pe niciun banc de lucru sau vreo propunere bugetară. Dar Loeb speră că ideea va declanșa un studiu mai atent al alternativelor eLISA. Proiectul eLISA „a beneficiat de zeci de ani de discuții, așa că ar trebui să permitem ca acest design alternativ să fie studiat cel puțin pentru câteva luni înainte de demiterea acestuia.”
Loeb adaugă că există numeroase aplicații practice de la a avea ceasuri atomice mai precise în spațiu, cum ar fi o mai bună precizie GPS și o comunicare îmbunătățită. El crede că primele ceasuri de grilă optică ar putea fi lansate de companii în scop comercial, mai degrabă decât de agențiile guvernamentale. „Dacă se întâmplă asta, orice știință din care vom ieși ar fi un produs secundar”, spune el.
Jun Ye, fizician la Universitatea din Colorado și coleg NIST, spune că propunerea lui Loeb și Maoz „deschide un nou front intelectual” privind utilizarea ceasurilor atomice optice pentru a testa fizica fundamentală, inclusiv căutarea undelor gravitaționale. „Sunt optimist cu privire la îmbunătățirea suplimentară a ceasurilor optice și a utilizării lor eventuale în astfel de aplicații”, spune Ye.
