Simulare a fuzionării unor găuri negre, fenomen însoţit de emiterea de unde gravitaţionale

Cercetătorii ce utilizează telescopul BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization) au anunţat anul trecut  că au detectat undele gravitaţionale, care sunt undulaţii ale continuului spaţiu-timp. Iniţial anunţul a fost aclamat ca cea mai importantă descoperire a secolului, dar ulterior s-a dovedit că a fost vorba despre o alarmă falsă: semnalul recepţionat era praf galactic.



Aşadar, vom descoperi vreodată unde gravitaţionale? Va asigura descoperirea undelor gravitaţionale dovada de necontestat privind existenţa Big Bangului? Iată mai jos cinci concepţii greşite privind undele gravitaţionale.


1. Cercetările sunt la început


Poate părea că am început doar de curând căutarea undelor gravitaţionale, dar, în realitate, sunt deja zeci de ani de căutări fără succes.

Undele gravitaţionale sunt perturbaţii, undulaţii ale continuului spaţiu-timp produse de corpuri masive. Atunci când undele gravitaţionale se propagă, acestea comprimă şi extind obiectele din zona de acţiune, chiar şi la scară subatomică. De aceea, cercetătorii au încercat să demonstreze existenţa undelor gravitaţionale observând modul în care obiectele sunt afectate.

În 1968 fizicianul american Joseph Weber a afirmat că a detectat undele gravitaţionale folosind un detector ezoteric creat din enormi cilindri de aluminiu. Afirmaţiile acestuia au fost ulterior infirmate.

În zilele noastre fizicienii preferă să folosească interferometria cu laser pentru a căuta undele gravitaţionale. Acesta funcţionează în felul următor: se transmit fascicule laser în două direcţii, de-a lungul unui tunel vidat. Fasciculele sunt reflectate la capătul tunelului de oglinzi către punctul de plecare, unde este plasat detectorul. Dacă undele laser sunt afectate de către undele gravitaţionale, acest lucru se va observat la nivelul detectorului.

LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) este un interferometru aflate la sol, care are "braţe" lungi de patru kilometri. Dar interferometre care vor fi plasate în spaţiu, ca DECIGO (Deci-hertz Interferometer Gravitational Wave Observatory) şi eLISA (Evolved Laser Interferometer Space Antenna) vor avea "braţe" lungi de până la un milion de kilometri. Aceste proiecte sunt aşteptate să intre în funcţiune în viitorul apropiat, iar eLISA chiar în acest an.





2. Undele gravitaţionale vin din Universul timpuriu

Cele mai puternice surse de unde gravitaţionale sunt în fapt procese astrofizice care au loc tot timpul.

Cel mai important dintre aceste surse este reprezentat de rotaţia unor perechi de "pitice albe" ori de găuri negre (sisteme binare). Se crede că astfel de perechi pierd gradat energie, emiţând unde gravitaţionale. Acest aspect a fost demonstrat prin descoperirea pulsarului Hulse-Taylor, în 1974. Pulsarul a furnizat dovezi indirecte ale existenţei undelor gravitaţionale, întrucât acesta pierdea energie cu o rată prezisă de teoria generală a relativităţii (undele, în sine, nu au fost observate).

Cu toate acestea, cercetătorii mai caută şi unde gravitaţionale create la scurt timp după Big Bang, numite unde gravitaţionale primordiale, care sunt mult mai dificil de detectat.


3. BICEP2 ar putea într-o zi să "vadă" undele gravitaţionale

Unul dintre obiectivele BICEP2 a fost acela de a detecta amprenta undelor gravitaţionale primordiale care s-a "imprimat" în radiaţia cosmică de fond (afectând temperatura acesteia). Această radiaţie conţine lumina generată de supa primordială de particule elementare, atunci când Universul avea vârsta de doar 300 de mii de ani, cu mult înainte de naşterea primelor stele.


Radiaţia cosmică de fond, măsurată de satelitul Planck


Atunci când undele de lumină vibrează într-o anumită direcţie spunem că lumina are o anumită polarizare. Dacă undele gravitaţionale au fost prezente atunci când s-a "născut" radiaţia cosmică de fond, acestea ar fi trebuit să lase o amprentă unică - o modificare a polarizării luminii - numită "modurile-B".

De aceea, modurile-B sunt doar dovezi indirecte ale undelor gravitaţionale. Acesta este un aspect important: proiectele ştiinţifice ca BICEP2 nu vor putea niciodată detecta undele gravitaționale în sine, ci doar amprenta lăsată de acestea.

Dar nici căutarea acestor amprente nu este simplă. Modurile-B sunt mascate de semnale mult mai puternice generate, de exemplu, de un efect denumit "lupă gravitațională", care amestecă diverse tipuri de polarizare. Eliminarea "contaminanţilor" reprezintă o sarcină dificilă.

Această provocare complexă va fi abordată de următoarea generaţie de experimente de tipul celor derulate la BICEP, cum ar fi ACT (Atacama Cosmology Telescope) şi succesorul acestuia, AdvACT. Acestea vor putea măsura radiaţia cosmică de fond cu o acurateţe mai mare decât cea a satelitului Planck şi va fi învăţat lecţii utile de la BICEP în ce priveşte praful cosmic şi alţi contaminanţi. Perspectiva detectării modurilor-B în următorii zece ani pare una solidă.

Există şi unele speculaţii conform cărora interferometrele din spaţiu ar putea detecta undele gravitaţionale, probabil prin analiza undelor detectate din cadrul proceselor astrofizice cunoscute.


4. Undele gravitaţionale vor oferi dovezi definitive privind existenţa Big Bangului

Prima sursă de unde gravitaţionale nu este Big Bangul, ci mai degrabă inflaţia cosmică: o perioadă în care Universul a suferit o scurtă perioadă de expansiune exponenţială, imediat după Big Bang.

Undele gravitaționale pe care cercetătorii de la BICEP2 au clamat că le-au detectat sunt un produs secundar al aceste expansiuni bruşte a Universului. Acest aspect este în acord cu teoria generală a relativităţii, care prezice că un corp aflat în accelerare emite unde gravitaţionale (similar modului în care o particulă accelerată emite unde electromagnetice).

Inflaţia este privită astăzi ca un model predominant al Universului timpuriu. Multe predicţii cheie ale teoriei inflaţiei au fost verificate, dar predicţia undelor gravitaţionale încă nu. Dacă acestea ar fi detectate, acestea ne-ar spune direct nivelul de energie la care a avut loc inflaţia, ducându-ne mai aproape de o bună înţelegere a Big Bangului. Dar undele gravitaţionale nu vor dovedi Big Bangul, care reprezintă o singularitate matematică care încă nu este înţeleasă.


5. Avem nevoie de un experiment pentru a detecta undele gravitaţională

Pentru a avea date statistice convingătoare vom avea nevoie de rezultate furnizate de mai multe proiecte de cercetare. Ca şi undele de lumină, undele gravitaţionale vin într-o plajă de frecvenţe. Cele două tehnici de detecţie (modurile-B şi inferometria laser) caută unde de frecvenţe diferite.

Cea mai simplă teorie a inflaţiei prezice unde gravitaţionale primordiale dintr-un anumit spectru de frecvenţă. Ştim amplitudinea fiecărei frecvenţe. Aşadar, dacă cercetătorii ar putea detecta unde gravitaţionale din două din aceste frecvenţe diferite, asta ar fi o dovadă puternică a existenţei inflaţiei, greu de respins de cel mai mare sceptic.


Merită căutarea undelor gravitaţionale, până la urmă?

Este puţin probabil ca prima generaţie de interferometre spaţiale să aibă sensibilitatea necesară pentru a detecta undele gravitaţionale primordiale. Nu se ştie cum ar fi un semnal care să le indice existenţa şi, în principiu, e posibil ca niciodată să nu dispunem de interferometre care să le detecteze.

Cu toate acestea, dacă am putea detecta undele gravitaţionale direct, am deschide noi drumuri privind testarea validităţii teoriei generale a relativităţii, care este utilizată pentru a descrie gravitaţia în fizica modernă. Teoria prezice existenţa undelor gravitaționale.

De asemenea, detectarea undelor gravitaţionale ar furniza noi informaţii cu privire la evoluţia stelelor, galaxiilor şi al găurilor negre, pe care s-ar putea să nu le putem obţine în niciun alt mod.

Traducere după Five myths about gravitational waves