24.7: Astronomia ya Mvuto

Sehemu nyingine ya mawazo ya Einstein kuhusu mvuto yanaweza kupimwa kama njia ya kuchunguza nadharia inayozingatia mashimo meusi. Kwa mujibu wa relativity ya jumla, jiometri ya spacetime inategemea ambapo jambo liko. Rearrangement yoyote ya suala - kusema, kutoka nyanja kwa sura sausage - inajenga usumbufu katika spacetime. Usumbufu huu huitwa wimbi la mvuto, na relativity inabiri kwamba inapaswa kuenea nje kwa kasi ya mwanga. Tatizo kubwa kwa kujaribu kujifunza mawimbi hayo ni kwamba wao ni dhaifu sana kuliko mawimbi ya umeme na sawa vigumu kuchunguza.

Ushahidi kutoka kwa Pulsar

Tumekuwa na ushahidi wa moja kwa moja kwa muda kwamba mawimbi ya mvuto yanapo. Mwaka 1974, wanaastronomia Joseph Taylor na Russell Hulse waligundua pulsar (yenye jina PSR1913+16) inayozunguka nyota nyingine ya neutroni. Vunjwa na mvuto mkubwa wa mwenzake, pulsar inahamia saa moja ya kumi kasi ya mwanga katika obiti yake.

Kwa mujibu wa relativity ya jumla, mfumo huu wa maiti ya stellar inapaswa kuwa nishati ya kung'ara kwa namna ya mawimbi ya mvuto kwa kiwango cha juu cha kutosha ili kusababisha pulsar na rafiki yake kuelekea karibu pamoja. Ikiwa hii ni sahihi, basi kipindi cha orbital kinapaswa kupungua (kulingana na sheria ya tatu ya Kepler) kwa milioni kumi ya pili kwa obiti. Uchunguzi unaoendelea ulionyesha kuwa kipindi hicho kinapungua kwa kiasi hiki. Hasara hiyo ya nishati katika mfumo inaweza kuwa kutokana na mionzi ya mawimbi ya mvuto, hivyo kuthibitisha kuwepo kwao. Taylor na Hulse walishiriki Tuzo ya Nobel ya 1993 katika fizikia kwa kazi hii.

Moja kwa moja Uchunguzi

Ingawa ushahidi huo usio wa moja kwa moja unawashawishi wanafizikia kwamba mawimbi ya mvuto yanapo, ni hata kuridhisha zaidi kuchunguza mawimbi moja kwa moja. Tunachohitaji ni matukio ambayo yana nguvu ya kutosha kuzalisha mawimbi ya mvuto na amplitudes kubwa ya kutosha ili tuweze kupima. Mahesabu ya kinadharia yanaonyesha baadhi ya matukio ya uwezekano mkubwa ambayo yatatoa mawimbi ya mvuto yenye nguvu ya kutosha kwamba vifaa vyetu duniani vinaweza kupima:

• coalescence ya nyota mbili neutron katika mfumo binary kwamba ond pamoja mpaka wao kuunganisha
• kumeza nyota ya neutroni kwa shimo jeusi
• coalescence (muungano) wa mashimo mawili nyeusi
• mlipuko wa nyota kubwa sana kutengeneza nyota ya neutroni au shimo jeusi
• kwanza “kutetemeka” wakati nafasi na wakati ulianza kuwepo na ulimwengu ulianza

Kwa miongo minne iliyopita, wanasayansi wamekuwa wakiendeleza jaribio la ujasiri kujaribu kuchunguza mawimbi ya mvuto kutoka chanzo kwenye orodha hii. Jaribio la Marekani, ambalo lilijengwa na washirika kutoka Uingereza, Ujerumani, Australia na nchi nyingine, linaitwa LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). LIGO kwa sasa ina vituo viwili vya kuchunguza, moja Louisiana na nyingine katika jimbo la Washington. Madhara ya mawimbi ya mvuto ni ndogo sana kwamba uthibitisho wa kugundua kwao utahitaji vipimo vya wakati mmoja na vifaa viwili vilivyotengwa sana. Matukio ya mitaa ambayo yanaweza kusababisha mwendo mdogo ndani ya vituo vya kuchunguza na kuiga mawimbi ya mvuto-kama vile matetemeko madogo, mawimbi ya bahari, na hata trafiki-inapaswa kuathiri maeneo mawili tofauti.

Kila moja ya vituo vya LIGO ina mbili urefu wa kilomita 4, 1.2 mduara mabomba utupu mpangilio katika L-umbo. Masi ya mtihani na kioo juu yake imesimamishwa na waya katika kila mwisho wa nne wa mabomba. Ultra-imara laser mwanga ni yalijitokeza kutoka vioo na safari na kurudi pamoja mabomba utupu (Mtini\(\PageIndex{1}\). Ikiwa mawimbi ya mvuto hupitia chombo cha LIGO, basi, kwa mujibu wa nadharia ya Einstein, mawimbi yataathiri muda wa nafasi za ndani-watapunguza na kupunguza umbali wa mwanga wa laser unapaswa kusafiri kati ya vioo milele hivyo kidogo. Wakati mkono mmoja wa chombo unapata muda mrefu, mwingine atapata mfupi, na kinyume chake.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\) Gravitational Wave Darubini. Mtazamo wa angani wa kituo cha LIGO huko Livingston, Louisiana. Kupanua hadi upande wa kushoto wa juu na wa kulia wa picha ni detectors ya urefu wa kilomita 4. (mikopo: mabadiliko ya kazi na Caltech/MIT/Ligo Laboratory)

Changamoto ya jaribio hili liko katika maneno hayo “milele hivyo kidogo.” Kwa kweli, kuchunguza wimbi la mvuto, mabadiliko katika umbali wa kioo yanapaswa kupimwa kwa usahihi wa kumi na elfu moja ya kipenyo cha proton. Mwaka 1972, Rainer Weiss wa MIT aliandika karatasi inayoonyesha jinsi kazi hii inayoonekana haiwezekani inaweza kukamilika.

Teknolojia mpya ilipaswa kuendelezwa, na kazi kwenye maabara, na ufadhili kutoka kwa Taifa la Sayansi Foundation, ilianza mwaka 1979. Mfano kamili wa kuonyesha teknolojia ilijengwa na kuendeshwa kuanzia mwaka 2002 hadi 2010, lakini mfano huo haukutarajiwa kuwa na unyeti unaotakiwa kuchunguza mawimbi ya mvuto kutoka chanzo cha astronomia. LIGO ya juu, iliyojengwa kuwa sahihi zaidi na teknolojia iliyoboreshwa iliyoendelezwa katika mfano, ilianza kutumika mwaka 2015-na karibu mara moja iligundua mawimbi ya mvuto.

Nini LIGO kupatikana mara mawimbi mvuto zinazozalishwa katika sehemu ya mwisho ya pili ya muungano wa mashimo mawili nyeusi (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)). Mashimo meusi yalikuwa na wingi wa mara 20 na 36 masi ya Jua, na muungano ulifanyika miaka bilioni 1.3 zilizopita—mawimbi ya mvuto yalitokea mbali sana kiasi kwamba imechukua muda huo kwao, wakisafiri kwa kasi ya nuru, ili kutufikia.

Katika cataclysm ya muungano, karibu mara tatu wingi wa Jua ulibadilishwa kuwa nishati (kumbuka E = mc ²). Wakati wa sehemu ndogo ya pili ya muungano kufanyika, tukio hili lilizalisha nguvu takriban mara 10 nguvu zinazozalishwa na nyota zote katika ulimwengu wote unaoonekana - lakini nguvu zote zilikuwa katika mfumo wa mawimbi ya mvuto na hivyo haikuonekana kwa vyombo vyetu, isipokuwa kwa LIGO. Tukio hilo lilirekodiwa huko Louisiana takriban nukta 7 kabla ya kugunduliwa huko Washington-umbali wa kulia tu kutokana na kasi ambayo mawimbi ya mvuto husafiria-na inaonyesha kuwa chanzo kilikuwa mahali fulani katika anga ya kusini mwa nusutufe. Kwa bahati mbaya, muungano wa mashimo meusi mawili hautarajiwi kuzalisha mwanga wowote, hivyo hii ndiyo uchunguzi pekee tunao wa tukio hilo.

Kielelezo\(\PageIndex{2}\) Signal Imezalishwa na Mvuto W (a) jopo juu inaonyesha ishara kipimo katika Hanford, Washington; jopo katikati inaonyesha ishara kipimo katika Livingston, Louisiana. Curve nyembamba nyembamba katika kila jopo inaonyesha ishara iliyotabiriwa, kulingana na nadharia ya jumla ya Einstein ya relativity, zinazozalishwa na muungano wa mashimo mawili nyeusi. Jopo la chini linaonyesha superposition ya mawimbi wanaogunduliwa katika observatories mbili za LIGO. Kumbuka makubaliano ya ajabu ya uchunguzi wa kujitegemea mbili na uchunguzi na nadharia. (b) uchoraji unaonyesha hisia ya msanii wa mashimo mawili makubwa nyeusi yanayotembea ndani kuelekea muungano wa baadaye. (mikopo a, b: mabadiliko ya kazi na SXS)

Kugundua hii kwa LIGO (na nyingine moja ya muungano tofauti wa shimo nyeusi miezi michache baadaye) ilifungua dirisha jipya kwenye ulimwengu. Mojawapo ya majaribio alilinganisha mwanzo wa astronomia ya wimbi la mvuto na zama ambapo filamu za kimya zilibadilishwa na sinema zenye sauti (kulinganisha vibration ya spacetime wakati wa kupita kwa wimbi la mvuto kwa mitikisiko inayofanya sauti).

Kufikia mwisho wa 2018, LIGO ilikuwa imegundua kuunganishwa zaidi nane kwa mashimo meusi. Sita kati ya hizi, kama ugunduzi wa awali, zilihusisha muunganiko wa mashimo meusi na raia mbalimbali ambazo zimeonekana tu kwa mawimbi ya mvuto. Katika muungano mmoja, mashimo meusi yenye raia wa mara 31 na 25 masi ya Jua yalijiunga ili kuunda shimo nyeusi linalozunguka lenye uzito wa karibu mara 53 masi ya Jua. Baadhi ya matukio haya yaligunduliwa sio tu na detectors mbili za LIGO, lakini pia na uchunguzi mpya wa wimbi la mvuto wa Ulaya, Virgo. Tukio jingine lilisababishwa na muungano wa 40- na 29-Solar-molekuli mashimo nyeusi, na kusababisha 66 molekuli shimo nyeusi. Wanaastronomia bado hawajui jinsi mashimo meusi katika aina hii ya wingi.

Uunganisho mwingine wawili unaogunduliwa na LIGO ulihusisha mashimo meusi na raia wa stellar kulinganishwa na yale ya mashimo meusi katika mifumo ya binary ya Katika hali moja, mashimo nyeusi yaliyounganishwa yalikuwa na raia wa 14 na mara 8 wingi wa Jua. Tukio lingine, tena limegunduliwa na LIGO na Virgo, lilizalishwa na kuunganishwa kwa mashimo nyeusi na raia wa mara 7 na 12 ya wingi wa Jua. Hakuna hata muunganiko wa mashimo meusi uliogunduliwa kwa njia nyingine yoyote isipokuwa mawimbi ya mvuto. Inawezekana kabisa kwamba kuunganishwa kwa mashimo nyeusi hauzalishi mionzi yoyote ya umeme.

Mwishoni mwa mwaka 2017, data kutoka kwa uchunguzi wote wa wimbi la mvuto wa mvuto ilitumiwa kupata nafasi mbinguni ya tukio la tano, ambalo lilifanywa na kuunganishwa kwa vitu na raia wa mara 1.1 hadi 1.6 ya wingi wa jua. Hii ni upeo wa wingi wa nyota za neutroni (tazama Galaxy ya Milky Way), kwa hiyo katika kesi hii, kile kilichoonekana kilikuwa ni kuongezeka kwa nyota mbili za neutroni. Takwimu zilizopatikana kutoka kwa observatories zote tatu ziliwezesha wanasayansi kupunguza eneo hilo angani ambako tukio hilo lilitokea. Satellite Fermi inayotolewa seti ya nne ya data ya uchunguzi, kuchunguza flash ya mionzi ya gamma wakati huo huo, ambayo inathibitisha nadharia ya muda mrefu kwamba muunganiko wa nyota za neutron ni progenitors ya kupasuka kwa muda mfupi wa gamma-ray (tazama Siri ya kupasuka kwa Gamma-Ray). Satellite ya Swift pia iligundua mwanga wa mwanga wa ultraviolet kwa wakati mmoja, na katika sehemu moja ya anga. Hii ilikuwa mara ya kwanza kwamba tukio la wimbi la mvuto limegunduliwa na aina yoyote ya wimbi la sumakuumeme.

Uchunguzi wa pamoja kutoka LIGO, Virgo, Fermi, na Swift ulionyesha kuwa chanzo hiki kilikuwa iko katika NGC 4993, galaxy iliyo umbali wa miaka milioni 130 ya mwanga katika mwelekeo wa Hydra ya nyota. Kwa nafasi iliyoelezwa vizuri, uchunguzi wa ardhi unaweza kuelekeza darubini zao moja kwa moja kwenye chanzo na kupata wigo wake. Uchunguzi huu ulionyesha kuwa muungano ulijitenga nyenzo kwa wingi wa takriban asilimia 6 ya masi ya Jua, na kasi ya moja ya kumi kasi ya nuru. Nyenzo hii ni matajiri katika vipengele nzito, kama vile nadharia ya kilonovas (tazama Muda mfupi wa Gamma-Ray Bursts: Colliding Stellar Maiti) alitabiri. Makadirio ya kwanza yanaonyesha kwamba muungano ulizalisha takriban raia wa dunia 200 wa dhahabu, na karibu na raia wa dunia 500 wa platin Hii inaonyesha wazi kuwa muunganiko wa nyota za neutroni ni chanzo kikubwa cha elementi nzito. Kama uchunguzi wa ziada wa matukio kama hayo huboresha makadirio ya kinadharia ya mzunguko ambapo kuunganishwa kwa nyota za neutroni hutokea, inaweza kugeuka kuwa idadi kubwa ya elementi nzito zimeundwa katika majanga hayo.

Kuchunguza muungano wa mashimo meusi kupitia mawimbi ya mvuto pia inamaanisha kwamba sasa tunaweza kupima nadharia ya jumla ya Einstein ya relativity ambapo athari zake ni kali sana—karibu na mashimo meusi-na si dhaifu, kwa vile ziko karibu na Dunia. Matokeo moja ya ajabu kutoka kwa uchunguzi huu ni kwamba ishara zilizopimwa kwa karibu zinalingana na utabiri wa kinadharia uliofanywa kwa kutumia nadharia ya Einstein. Mara nyingine tena, wazo la mapinduzi ya Einstein linapatikana kuwa maelezo sahihi ya asili.

Kwa sababu ya umuhimu wa kisayansi wa uchunguzi wa mawimbi ya mvuto, watatu wa viongozi wa mradi wa LIGO —Rainer Weiss wa MIT, na Kip Thorne na Barry Barish wa Caltech-walipewa tuzo ya Nobel mwaka 2017.

Vifaa kadhaa vinavyofanana na LIGO na Virgo vinajengwa katika nchi nyingine ili kuchangia katika astronomia ya wimbi la mvuto na kutusaidia kubainisha kwa usahihi zaidi eneo la ishara tunazozitambua angani. Shirika la Anga la Ulaya (ESA) linachunguza uwezekano wa kujenga detector kubwa zaidi kwa mawimbi ya mvuto katika nafasi. Lengo ni kuzindua kituo kinachoitwa ElISA wakati mwingine katikati ya miaka ya 2030. Mpangilio unaita silaha tatu za detector, kila kilomita milioni kwa urefu, kwa mwanga wa laser kusafiri katika nafasi. Kituo hiki kingeweza kuchunguza muungano wa mashimo machafu ya mbali, ambayo yanaweza kutokea wakati kizazi cha kwanza cha nyota kiliunda miaka milioni mia chache tu baada ya Big Bang.

Mnamo Desemba 2015, ESA ilizindua LISA Pathfinder na kufanikiwa kupima teknolojia inayotakiwa kushikilia cubes mbili za dhahabu-platinum katika hali ya kupumzika kwa uzito, kamilifu, kuhusiana na kila mmoja. Ilhali LISA Pathfinder haiwezi kuchunguza mawimbi ya mvuto, utulivu huo unahitajika iwapo ELISA itaweza kuchunguza mabadiliko madogo katika urefu wa njia yanayotokana na kupita mawimbi ya mvuto.

Tunapaswa kuishia kwa kukubali kwamba mawazo yaliyojadiliwa katika sura hii yanaweza kuonekana kuwa ya ajabu na yenye nguvu, hasa mara ya kwanza unayoyasoma. Matokeo ya nadharia ya jumla ya kiasi kuchukua baadhi ya kupata kutumika. Lakini hufanya ulimwengu kuwa wa ajabu zaidi na kuvutia-kuliko pengine ulivyofikiri kabla ya kuchukua kozi hii.

Dhana muhimu na Muhtasari

Uhusiano wa jumla unatabiri kwamba upyaji wa suala katika nafasi unapaswa kuzalisha mawimbi ya mvuto. Kuwepo kwa mawimbi hayo kulithibitishwa mara ya kwanza katika uchunguzi wa pulsar katika obiti kuzunguka nyota nyingine ya neutroni ambayo mizunguko yake ilikuwa inazunguka karibu na kupoteza nishati kwa namna ya mawimbi ya mvuto. Mwaka 2015, LIGO ilipata mawimbi ya mvuto moja kwa moja kwa kuchunguza ishara iliyotengenezwa na muungano wa mashimo mawili ya stellar-molekuli nyeusi, kufungua dirisha jipya kwenye ulimwengu.

faharasa

wimbi la mvuto

usumbufu katika ukingo wa muda unaosababishwa na mabadiliko katika jinsi suala linavyosambazwa; mawimbi ya mvuto hueneza kwa (au karibu) kasi ya mwanga