Skąd się biorą fale grawitacyjne_.pdf

(4460 KB) Pobierz
1.10.2017
Skąd się biorą fale grawitacyjne?
Skąd się biorą fale grawitacyjne?
Fale grawitacyjne są gorącym tematem
w mediach oraz serwisach
Facebook
Tweet
Google
informacyjnych. Te "zmarszczki na
POLUB:
tkance czasoprzestrzeni" przekazują
znacznie więcej informacji o
Wszechświecie, niż mogą dać fale
elektromagnetyczne, ponieważ ich rozchodzenie się jest praktycznie niezaburzone.
Dzięki nim możemy poznać dokładniej gorące początki tzw. wczesnego
Wszechświata.
PODZIEL SIĘ:
Gdy pada nazwa
"fale grawitacyjne",
na myśl zwykle przychodzi obraz fali na morzu lub w
najlepszym przypadku czegoś podobnego do fali elektromagnetycznej. Jednakże to pojęcie jest w
rzeczywistości czymś zupełnie innym.
Trochę historii
http://mlodytechnik.pl/eksperymenty-i-zadania-szkolne/fizyka/29012-skad-sie-biora-fale-grawitacyjne
1/26
1.10.2017
Skąd się biorą fale grawitacyjne?
O ile na przełomie XIX i XX wieku nawet najwybitniejsi fizycy mieli problem z
zaakceptowaniem pojęcia fali jako rozchodzącego się zaburzenia pola (co pokazuje m.in.
hipoteza eteru, będącego ośrodkiem propagacji fal elektromagnetycznych), o tyle tutaj mamy do
czynienia z samym zaburzeniem czasoprzestrzeni. Co to oznacza? W 1915 r. została
opublikowana przez
Alberta Einsteina
ogólna teoria względności (OTW). Już dziesięć lat
wcześniej jego szczególna teoria względności (STW), odrzucająca koncepcję eteru oraz
przyjmująca postulat stałości prędkości światła we wszystkich układach inercjalnych, niezależnie
od prędkości obserwatora, zdążyła wzburzyć środowisko naukowe oraz spowodować
początkową niechęć do tej idei. Jednakże jej uogólnienie (czyli OTW), mające na celu
pogodzenie grawitacji z teorią względności, zdawało się być jeszcze bardziej radykalnym
krokiem.
Według OTW grawitacja nie jest siłą newtonowską, lecz wynikiem samej geometrii
czasoprzestrzeni. Oznacza to, że np. ruch obiegowy Ziemi wokół Słońca jest spowodowany
zakrzywieniem „sceny”, na której on się odbywa, a Ziemia za to porusza się po tzw. krzywej
geodezyjnej, czyli najkrótszej (lub najdłuższej) możliwej drodze. Oczywiście, źródłem tego
zakrzywienia jest rozkład mas czy energii we Wszechświecie i otrzymujemy swoiste sprzężenie -
materia zakrzywia czasoprzestrzeń, co powoduje, że zmienia się ruch materii.
Możemy to sobie wyobrazić jako gumową, rozpiętą, płaską
powierzchnię
, na której mamy
„dołek” wytworzony przez leżącą ciężką kulę. Teraz zapytajmy - co się stanie, jeśli będziemy
podnosić i opuszczać tę kulę? Wtedy pojawi się na tej gumowej powierzchni zaburzenie,
podobne do fali, zależne od napięcia powierzchni i innych czynników. Co prawda nie możemy
tak zrobić we Wszechświecie, ale jeśli będziemy bardzo szybko zmieniać położenie skupiska
masy lub energii, wtedy uda się nam wytworzyć coś analogicznego.
Tak w przeglądowy sposób można przedstawić koncepcję fal grawitacyjnych.
Trochę teorii i historii
Praca teoretyczna poprawnie opisująca fale grawitacyjne (niezależnie od wybranego układu
współrzędnych oraz od zdefiniowanej czasoprzestrzeni) autorstwa Felixa Piraniego pojawiła się
dopiero w 1956 r., czyli czterdzieści lat po wstępnym przewidzeniu istnienia tych fal przez
Alberta Einsteina. Jednakże przeszła bez większego echa w środowisku naukowym, jako że cała
jego uwaga była skupiona na tym, czy te fale grawitacyjne przenoszą energię. To była jedna z
kluczowych kwestii, ponieważ z pojęciem fali utożsamiany jest transport energii bez transportu
materii. Ten problem został jednak rozstrzygnięty rok później przez Richarda
Feynmana (tzw.
sticky bead argument)
przy pomocy poniższego eksperymentu myślowego (z
których sam Einstein także często korzystał) na konferencji w Chapel Hill. Generalnie, kiedy fala
grawitacyjna przechodzi przez jakieś dwa ustalone punkty, to nie wpływa w żaden sposób na ich
położenia - jedyne co się zmienia, to odległość między nimi ze względu na odpowiednie
odkształcenie przestrzeni.
http://mlodytechnik.pl/eksperymenty-i-zadania-szkolne/fizyka/29012-skad-sie-biora-fale-grawitacyjne
2/26
1.10.2017
Skąd się biorą fale grawitacyjne?
Ilustracja argumentu Feynmana z konferencji Chapel Hill (źródło:
https://goo.gl/oB5M8g)
Wyobraźmy sobie zatem najprostszy możliwy
detektor
takich fal - sztywny pręt, na którym
mamy szorstkie koraliki. Gdy przechodzi fala grawitacyjna, długość sztywnego pręta się nie
zmienia ze względu na siły atomowe. Ponieważ koraliki mają swobodę ruchu wzdłuż pręta,
odległość między nimi się zmienia podczas przejścia fali, co skutkuje ich ocieraniem się o pręt i
wydzieleniem ciepła. Owo ciepło powstało pod wpływem przejścia fali grawitacyjnej, co
oznacza, że sama fala musi przenosić
energię
.
Po rozstrzygnięciu tej kwestii, astrofizyk Joseph Weber zajął się budową pierwszego detektora
fal grawitacyjnych. Jego konstrukcja przeszła do historii jako cylinder Webera. Zgodnie z tym,
co twierdził jej pomysłodawca, odebrała pierwsze fale grawitacyjne w 1969 r. i aż do końca tego
roku rejestrowała regularne sygnały. Żeby wyeliminować lokalne drgania oraz inne czynniki
zależne od miejsca, Weber ulokował dwa detektory w odległości ok. 1000 km od siebie -
odpowiednio w Chicago i Maryland.
http://mlodytechnik.pl/eksperymenty-i-zadania-szkolne/fizyka/29012-skad-sie-biora-fale-grawitacyjne
3/26
1.10.2017
Skąd się biorą fale grawitacyjne?
Jeden ze słynnych detektorów Webera (źródło: https://goo.gl/xIk1Yl)
Częstotliwość odbieranych wtedy fal poddawała w wątpliwość autentyczność ich detekcji z
dwóch powodów. Po pierwsze, wykazywała utratę energii przez Drogę Mleczną niezgadzającą
się z jej wiekiem. Po drugie, inne grupy doświadczalne nie wykryły żadnego sygnału prawie do
końca lat 70.
W 1979 r. został opublikowany artykuł naukowy zawierający pomiary wydłużania się czasu
obiegu układu dwóch pulsarów oznaczonych jako PSR1913+16. Pulsary są to rotujące gwiazdy
neutronowe, które okresowo emitują fale elektromagnetyczne. Ze względu na to, że taki układ
promieniuje także fale grawitacyjne, energia na ich emisję jest czerpana z energii ruchu
orbitalnego, czyli z czasem ich prędkości zaczynają maleć i przez to zwiększa się powoli czas
obiegu. To odkrycie, za które Russell Alan Hulse oraz Joseph Hooton Taylor Jr. otrzymali w
1993 r. Nagrodę Nobla z fizyki, jest uznawane za pierwszy, pośredni dowód na istnienie fal
grawitacyjnych.
Co może wyemitować falę grawitacyjną?
Każde ciało o niezerowej masie może stać się źródłem fali grawitacyjnej. Wystarczy tylko, żeby
ruch tych ciał był zmienny oraz żeby nie był sferycznie symetryczny lub symetryczny osiowo,
tzn. jednakowy we wszystkich możliwych kierunkach. Z tego powodu równo rozszerzająca się
kula nie emituje fal grawitacyjnych. Ostatni warunek bierze się stąd, że nie istnieje ujemna masa
(a w każdym razie nie została jeszcze odkryta) oraz stąd, że nie można skonstruować dipola
grawitacyjnego, czyli pary „masa dodatnia - masa ujemna”, podobnie jak w przypadku ładunków
elektrycznych.
http://mlodytechnik.pl/eksperymenty-i-zadania-szkolne/fizyka/29012-skad-sie-biora-fale-grawitacyjne
4/26
1.10.2017
Skąd się biorą fale grawitacyjne?
Poglądowe przedstawienie pulsara
(źródło: https://goo.gl/BV1QfZ)
Weźmy jako przykład hantle - jeśli ciężarek będzie obracał się wokół swej osi symetrii, nie
będzie generował fal grawitacyjnych. Natomiast jeśli będzie się poruszał wokół swojego końca,
to jego ruch nie będzie miał żadnej spośród wyżej wymienionych symetrii i taki układ będzie
promieniował fale grawitacyjne.
Podobna sytuacja zachodzi w przypadku dwóch gwiazd okrążających siebie. Jeśli mają one
różne masy, emitują fale, ponieważ obiegają swój środek masy. Im większe masy tych gwiazd
oraz im szybciej się obiegają, tym większą moc fal grawitacyjnych będą emitować. W wypadku
bardzo masywnych gwiazd, takich jak gwiazdy neutronowe, czy czarne dziury, wysyłane
promieniowanie grawitacyjne może być bardzo silne. Ponadto, ważnym źródłem tych fal są
wybuchy supernowych, gdyż znacząca część materii takiej gwiazdy jest wyrzucana w otaczającą
ją przestrzeń kosmiczną z ogromną prędkością, wynoszącą nawet do 10%
prędkości
światła.
Emisja fal grawitacyjnych wystąpi tylko w przypadku niesymetrycznego wybuchu. Podobnie,
jeśli mamy obracającą się gwiazdę neutronową, to szansa na wystąpienie promieniowania
grawitacyjnego pojawi się tylko wtedy, gdy na jej powierzchni będą nierówności. Okazuje się, że
mogą występować tzw. górki o wysokości do 10 cm (są tak niskie ze względu na bardzo dużą
gęstość materii neutronowej). Wtedy taka gwiazda emitowałaby fale grawitacyjne aż do
momentu wyrównania się jej powierzchni.
Jak je odbierać?
Do wykrywania fal grawitacyjnych można by wykorzystać układ podwójny pulsarów. Niestety,
jedną z jego kluczowych wad jest bardzo duża odległość od Ziemi oraz stosunkowo rzadkie
występowanie takich układów. Znacznie wygodniejsze byłoby odbieranie fal grawitacyjnych na
Ziemi lub w jej pobliżu, ponieważ mielibyśmy wtedy pewne odniesienie czasowe oraz łatwość
lokalizacji ich źródła w przestrzeni. Głównym problem jest jednak ogromna trudność w ich
zaobserwowaniu - kiedy docierają one na Ziemię, mają bardzo małą amplitudę, rzędu 10
-21
.
http://mlodytechnik.pl/eksperymenty-i-zadania-szkolne/fizyka/29012-skad-sie-biora-fale-grawitacyjne
5/26

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin