Nobelio fizikos premija: kas yra gravitacinės bangos?

2017 m. Nobelio fizikos premiją pasidalijo trys mokslininkai – amerikiečiai Kipas Fornas (Kipas Thorne’as), Raineris Veisas (Raineris Weissas) ir Baris Barišas (Barry Barishas), reikšmingai prisidėję prie praėjusių metų vasario mėnesį paskelbto gravitacinių bangų atradimo.

Šis atradimas yra beveik keturis dešimtmečius trukusio LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) projekto kulminacija. K. Fornas ir R. Veisas LIGO inicijavo dar 1984 m., 1997-aisiais B. Barisšas tapo jo vadovu. LIGO gravitacines bangas aptiko 2015 m. rugsėjo 14 d. – vieną dieną prieš oficialiai pradedant tuo metu pažangiausios detektoriaus konfigūracijos stebėjimų programą.

Gravitacines bangas skleidžia kiekvienas masę turintis objektas, judantis su pagreičiu – greitėdamas, lėtėdamas arba keisdamas judėjimo kryptį. Tačiau daugumos šių objektų skleidžiamos bangos yra pernelyg silpnos, kad jas būtų įmanoma aptikti. „Tik patys masyviausi ir greičiausiai judantys objektai, tokie kaip juodosios skylės, erdvę supurto taip, kad signalas aptinkamas net už milijardų šviesmečių. Aptiktasis gravitacinių bangų signalas atsklido iš juodųjų skylių poros, kurios sukosi viena aplink kitą, suartėjo, susilietė ir susijungė į vieną. Signalą, atsklindantį iš tokio įvykio, teoriškai apskaičiavo Albertas Einsteinas dar 1915 m., taigi atradimas įvyko praėjus lygiai šimtui metų po pirmosios prognozės“, – pasakojo Vilniaus universiteto Teorinės fizikos ir astronomijos instituto docentas dr. Kastytis Zubovas.

Pasak mokslininko, gravitacinės bangos sklinda šviesos greičiu ir vis silpnėja, taigi, nors prie juodųjų skylių poros erdvės ištempimas ir suspaudimas yra panašios amplitudės kaip ir pats erdvės regionas, pasiekusios Žemę bangos tampa tokios silpnos, kad tik moderniausi detektoriai pajėgia jas aptikti.

Šiuo metu aptikti jau keturi gravitacinių bangų signalai. Pirmi trys atsklido iš besijungiančių juodųjų skylių porų, paskutinis, paskelbtas vos prieš savaitę – iš neutroninių žvaigždžių poros. Šie atradimai įrodė, kad juodosios skylės, 15–50 kartų masyvesnės už Saulę, egzistuoja. Taip pat visiškai patvirtinta bendrosios reliatyvumo teorijos prognozė.

„Bet didžiausia naujovė, kurią mums davė gravitacinės bangos, yra galimybė visiškai kitaip tyrinėti Visatą. Iki šiol visi tyrimai buvo daromi tik remiantis elektromagnetinių bangų – nuo radijo iki gama spindulių, įskaitant ir regimąją šviesą – stebėjimu. Elektromagnetines bangas skleidžia ne visi objektai – pavyzdžiui, juodosios skylės nieko nespinduliuoja. Be to, kosmose sklindančias elektromagnetines bangas gali sugerti pakeliui pasitaikantys dulkių ar dujų debesys, taigi mus pasiekia ne visi spinduliai, kuriuos koks nors šaltinis paskleidė mūsų link“, – dėstė astrofizikas.

Gravitacinės bangos su tokiomis problemomis nesusiduria, tad jos leidžia tyrinėti objektus, kurie nieko nespinduliuoja arba yra dengiami didžiulių dulkių sluoksnių. Pirmieji trys gravitacinių bangų signalai aptikti dviem LIGO detektoriais – didžiuliais interferometrais, esančiais JAV. Paskutinis signalas aptiktas bendradarbiaujant su Italijos konsorciumu VIRGO. Trijų detektorių duomenys leido gerokai tiksliau nustatyti šaltinio padėtį. Ta kryptimi netrukus buvo nukreipti teleskopai, ieškantys galimo elektromagnetinių signalų šaltinio, sutampančio su gravitacinių bangų šaltiniu.

Pasak dr. K. Zubovo, gravitacinių bangų astronomija žengia tik pirmuosius žingsnius, bet jos potencialas – milžiniškas. Juodųjų skylių ir neutroninių žvaigždžių tyrimai, iš jų išplaukiančios išvados apie žvaigždžių formavimąsi reikšmingai papildys turimas astronomines žinias. Ir nors Lietuvos mokslininkai tiesiogiai neprisideda prie gravitacinių bangų paieškų, lietuvių indėlis į įvairias Europos kosmoso agentūros misijas padės pagilinti supratimą apie Visatą.