Ce sunt undele gravitationale ?

In fiecare zi, in lumea noastra, observam tot felul de unde, inclusiv unde sonore, undele apelor si unde radio. Dar ce stim despre undele gravitationale? In antena unei statii radio, electronii merg inainte si inapoi si creeaza unde electromagnetice. Sa presupunem ca un corp foarte masiv, cum ar fi o stea, s-ar misca inainte si inapoi. Ar produce aceasta unde gravitationale? Ar putea parea exagerat sa ne gandim ca o stea se misca in acest fel, insa, de fapt, multe dintre stelele pe care le vedem sunt membre ale unor sisteme stelare binare – doua stele care se misca una in jurul celeilalte intr-un dans de atractie gravitationala reciproca. Daca stelele sunt masive si se afla aproape una de alta, acestea se balanseaza intre ele, fiind trase de forte enorme.

In anul 1915, Einstein a prezis ca un asemenea sistem ar emite unde gravitationale, care s-ar deplasa cu viteza luminii, insa acesta a banuit ca radiatiile ar fi prea slabe pentru a putea fi detectate. Daca doua asemenea stele ar emite intr-adevar astfel de radiatii gravitationale, energia lor mecanica ar scadea, acestea ar fi atrase si mai aproape una de alta, iar rata de rotatie reciproca a acestora ar creste. Prin urmare, daca fizicienii ar putea masura perioada unui sistem stelar binar cu o precizie foarte mare, acestia ar putea cauta dovezi ale radiatiilor gravitationale.

Dovezi ale undelor gravitationale

Cei doi fizicieni care au gasit dovezile necesare, Russell Hulse si Joseph Taylor, studiau pulsarii (stele neutronice care se invart rapid si emit impulsuri taioase de energie radio cu o regularitate extraordinara). Acestia au gasit un pulsar a carui rata de pulsare oscila, mai intai accelerand, iar apoi incetinind. O analiza atenta a aratat ca aceasta variatie era un efect Doppler si ca pulsarul se deplasa in mod alternativ mai departe si mai aproape de Pamant, pe masura ce acesta si o insotitoare nevazuta orbitau una in jurul celeilalte. Cele doua obiecte se invart unul in jurul celuilalt la fiecare 8 ore, la o distanta de 1 pana la 5 raze solare. Intrucat se afla asa aproape una de alta, fortele gravitationale dintre aceste stele sunt extraordinar de puternice.

Masuratorile greoaie, pe termen lung, ale timpului de sosire al pulsului au dezvaluit ca rata de rotatie a sistemului era in crestere si era exact asa cum prezisese Einstein cu 63 de ani in urma. In anul 1993, Hulse si Taylor au primit premiul Nobel in fizica pentru aceasta descoperire. Ei identificasera o sursa de unde gravitationale. Urmatorul pas a fost construirea unui detector care sa observe aceste unde gravitationale in mod direct.

Undele gravitationale sunt greu de detectat. Aceste unde sunt de fapt valuri slabe in spatiu-timp, lumea cu patru dimensiuni pe care Einstein a creat-o in teoriile sale (teoria generala a relativitatii si teoria relativitatii speciale). Atunci cand o unda gravitationala trece pe langa niste obiecte, acestea si-ar schimba lungimea, insa doar cu aproximativ o parte din 1021 (care, in cazul distantei de la Pamant la soare ar fi de un diametru atomic). Acesta este un efect extrem de mic. Iata care sunt categoriile principale de detectoare ale undelor gravitationale: detectoare rezonante de masa, interferometre de sol si interferometre spatiale.

Detectoare ale undelor gravitationale

Detectoarele rezonante de masa constau intr-un cilindru mare din metal care este suspendat (are circa 10 metri lungime) si poseda instrumente care detecteaza schimbarile mici in ceea ce priveste lungimea. Astrofizica prezice ca un sistem stelar binar tipic, ce contine un pulsar, ar emite unde gravitationale la o frecventa de aproximativ 1600 Hz. Lungimea cilindrului a fost aleasa pentru ca cilindrul sa poata rezona la aceasta frecventa, permitand undei gravitationale slabe sa produca o oscilatie detectabila in lungimea cilindrului. O limitare a sensibilitatii detectoarelor de rezonanta o reprezinta dimensiunea lor redusa. Un alt tip de detector utilizeaza raze laser reflectate pe distante lungi.

Pentru a creste magnitudinea oscilatiilor care urmeaza sa fie masurate, interferometrele de sol sunt dotate cu brate lungi de cativa kilometri. O raza laser este impartita si calatoreste cativa kilometri in directii perpendiculare, catre oglinzi suspendate. Razele reflectate se combina si interfereaza, furnizand un model de lumina si intuneric ce arata fazele relative ale celor doua raze.

Exista doua asemenea detectoare in SUA (numite LIGO) care vor opera impreuna pentru a reduce sansele ca zgomotul de la unul sau altul sa imite o unda gravitationala. Interferometrele pe baza de laser, ca LIGO, sunt vulnerabile la efectele zgomotelor seismice, in special la frecvente joase. Aceasta dependenta de frecventa este importanta, deoarece se asteapta ca gaurile negre supermasive si stelele binare compacte sa produca unde gravitationale la frecvente joase (sub 1 Hz pe secunda). Pentru a evita acest zgomot, interferometrul poate fi trimis in spatiu cu trei sateliti separati.

Interferometrul cu laser din spatiu (LISA) este situat pe trei sateliti care se afla la o distanta de aproximativ 5 milioane de kilometri unul de altul, pe o orbita cu o perioada de aproximativ un an. LISA este sensibila la unde gravitationale cuprinse intre 1 x 10-3 Hz si 1 Hz. Intrucat undele gravitationale interactioneaza atat de putin cu materia, ele s-ar propaga practic fara nicio schimbare pe masura ce trec prin spatiul interstelar. Prin urmare, ele pot oferi o noua fereastra asupra universului si o multime de informatii foarte diferite de ceea ce observam cu radiatiile electromagnetice.