Taigišitąvat, sulaukėm pranešimo, kad aptiktos gravitacinės bangos, patvirtinta infliacijos teorija, išaiškinti Nobelio premijos laureatai ir paaiškėjo, kas švytėjo lagaminėlyje „Pulp Fiction“. Na gerai, paskutinis teiginys visai ne prie ko, priešpaskutinis irgi, bet paskaičius kai kuriuos žiniasklaidos pranešimus, gali tikrai pasirodyti, kad įvyko didžiulis stebuklas. Tikrai nenoriu sumenkinti atradimo reikšmės – jis yra svarbus ir daug prisidės prie mūsų supratimo apie Visatos pradžią ir veiklą, bet kalbėti apie Nobelio premiją (ypač šių metų) dar tikrai anksti. Tačiau neužbėgdamas sau už akių, apie viską pasistengsiu papasakoti nuosekliai. Tik iškart įspėju, kad čia kalbėsiu apie dalykus, apie kuriuos pats žinau tik iš magistrantūros modulių ir populiarių straipsnių bei knygų, todėl tikrai nesu specialistas. Šitą rašinį vertinkite skeptiškai :)
Kas yra gravitacinės bangos?
Kad šitai suprastume, reikia žinoti tam tikrus bendrosios reliatyvumo teorijos pagrindus. Pagal šią teoriją, erdvė ir laikas yra susiję į vieną foninę terpę, erdvėlaikį, kurio savybės (geometrija) priklauso nuo to, kokie objektai jame yra ir kaip jie juda. Dažnai naudojamas palyginimas, kad erdvėlaikis yra tarsi ištemptas tinklas, ant kurio padėjus masyvų objektą, tinklas yra ištempiamas ir susidaro duobė. Analogija, kaip ir visos kitos, nėra visiškai teisinga, bet pakankamai neblogai paaiškina tai, ko mums reikia. Dabar įsivaizduokime objektą, judantį šiame erdvėlaikyje. Jo sukuriamas įdubimas juda kartu su objektu, į objekto padėties pokyčius reaguoja šviesos greičiu. Šitai dar galima įsivaizduoti taip: jei į pripildytą vandens čiužinį bakstelėsime pirštu, čiužinys toje vietoje įdubs; jei pirštą judinsime, įdubimas judės kartu. Tačiau jei pirštą judinsime labai greitai, čiužinys pradės banguoti, nes nespės prisitaikyti prie greitai kintančio įspaudimo; iš tikro bangavimas vyko ir pirštą judinant lėčiau, bet jo nebuvo įmanoma pamatyti. Panašiai yra ir su erdvėlaikiu: jei masyvus objektas juda ne tiesia linija, erdvėlaikis ima banguoti, o kuo didesnis judėjimo greitis, tuo stipresnis bangavimas. Vienas iš greičiausio netiesaus judėjimo atvejų yra neutroninių žvaigždžių ir juodųjų skylių susiliejimai. Šie objektai yra tokie tankūs, kad prieš susiliedami vienas aplink kitą sukasi didžiuliais greičiais ir turėtų sukelti aplink save erdvėlaikio bangas. Šios bangos ir vadinamos gravitacinėmis.
Gravitacinių bangų egzistavimą numatė tas pats Einšteinas, kuris ir sukūrė bendrąją reliatyvumo teoriją. Tačiau tas bangas aptikti yra velniškai sudėtinga, nes jų sukeliami pokyčiai aplinkoje yra menkučiai. Iki šiol buvo tik vienas netiesioginis šių bangų egzistavimo įrodymas; dabartinis atradimas irgi yra netiesioginis įrodymas, bet visiškai kitoks ir svaresnis.
Tiesioginis ir netiesioginis aptikimas
Gravitacinės bangos poveikis aplinkai yra erdvėlaikio geometrijos pakeitimas. Vėlgi vaizdžiai kalbant, praeidama banga truputį sutraukia erdvėlaikį, taigi atstumai tarp objektų sumažėja, o bangai praėjus vėl grįžta į pradinę būseną. Iš principo išmatuoti tokį pokytį yra įmanoma – tereikia poros objektų, tarp kurių galime labai tiksliai išmatuoti atstumą. Tą padaryti galima su lazeriais. Problema iškyla tokia, kad pokytis yra visiškai mažytis – atstumas tarp objektų greičiausiai pakinta ne daugiau nei viena dalimi iš 10^20, t.y. šimtamilijardine milijardinės dalies dalele. Toks pokytis labai lengvai pasimeta tarp gausybės „triukšmo“ – kitokių atstumą keičiančių procesų, pavyzdžiui už kelių šimtų kilometrų važiuojančio traukinio ar Žemės tektoninių plokščių judėjimo. Nors jau daugelį metų bandoma sukurti detektorius– ir stovėsiančius Žemėje, ir kilsiančius į kosmosą – kurie pajėgtų išmatuoti tokius pokyčius (išmatavimui labai padėtų pokyčių koreliacija, t.y. pokyčiai, išmatuoti keleto detektorių tokiais laiko intervalais, kurie atitinka pro juos šviesos greičiu judančią bangą), kol kas to padaryti vis dar nepavyko.
Visgi gravitacinės bangos turi ir kitokių poveikių, kuriuos aptikti yra gerokai lengviau. Bet kokia daugianarė sistema skleidžia gravitacines bangas. Šios bangos išsineša dalį sistemos energijos, todėl aplink bendrą masės centrą besisukančių objektų orbitos po truputį kinta (darosi labiau ištęstos ir artėja prie centro), trumpėja sukimosi periodas. Žemės-Saulės sistema dėl gravitacinių bangų praranda maždaug po 200 džaulių per sekundę (t.y. 200 vatų, maždaug tiek, kiek dvi ryškios kaitrinės lemputės), taigi mūsų orbitai poveikis yra nereikšmingas. Tačiau kompaktiškų objektų orbitos gali pakisti pastebimai. Viena tokių objektų rūšis yra pulsarai – periodiškai mūsų link švystelinčios neutroninės žvaigždės. 1974-aisiais metais aptiktas pulsaras PSR B1913+16, esantis dvinarėje sistemoje su kita neutronine žvaigžde. Aplink bendrą masės centrą sistemos narės apsisuka per kiek mažiau nei aštuonias valandas, o pats pulsaras aplink savo ašį – per 59.02999792988 milisekundės (lyrinis nukrypimas – pažiūrėkite į skaičiaus tikslumą! Taip, pulsarų švystelėjimai yra tokie reguliarūs, kad jų sukimosi spartą galima išmatuoti šitaip tiksliai). Stebėdami sistemą matome ir tai, kad signalai iš pulsaro ateina ne visai vienodais intervalais, o periodiškai kinta – tai reiškia, kad pulsaras kartais yra arčiau mūsų, o kartais – toliau, dėl judėjimo orbitoje. Ilgą laiką stebėję pulsaro signalus, mokslininkai nustatė, kad sistemos sukimosi periodas po truputį mažėja: per 30 metų nuo 1975-ųjų iki 2005-ųjų sumažėjo maždaug 35-iomis sekundėmis. Pokytis nedidelis, bet tiksliai atitinka tokį, koks turėtų būti dėl gravitacinių bangų spinduliavimo. Už šį atradimą ir kitus pulsaro tyrimus 1993-aisiais metais paskirta Nobelio premija (laiko kelionių nebuvo, tiesiog efektas puikiai matėsi ir iš dešimties metų duomenų).
Dabartinis atradimas remiasi kitu netiesioginiu (galima sakyti, mažiau netiesioginiu) gravitacinių bangų poveikiu, kuris susijęs su pačia Visatos egzistavimo pradžia, vadinamąja infliacijos epocha.
Visatos valiutos nuvertėjimas?
Žodis „infliacija“ kasdienėje kalboje naudojamas dažnai, tik reiškia visai ką kita, nei kosmologijoje. Bendrinė šio žodžio reikšmė yra tiesiog „pūtimasis“ arba „didėjimas“; infliuoti gali ir balionas, ir ego, ir valiuta. Taip pat pūstis gali, ir pūtėsi, mūsų Visata, kai jos amžius siekė mažiau nei 10^-32 sekundės. Aišku, pamatyti to, kas dėjosi taip seniai, negalime – vaizdą užstoja kosminė foninė spinduliuotė, taigi negalime ir būti tikri, kad infliacija vyko. Šis procesas ir jį aiškinantis modelis buvo sugalvoti aštuntajame praėjusio amžiaus dešimtmetyje. Infliacija sėkmingai išsprendžia keletą Didžiojo sprogimo teorijos problemų (kosminės foninės spinduliuotės vienodumo, erdvės neiškreiptumo ir pan. – čia nesiplėsiu), taigi modelis buvo priimtas, nors jo prognozes patvirtinti tuo metu buvo neįmanoma. Modelis teigia, kad dėl kažkokių priežasčių (galbūt dėl to, kad mažėjant Visatos temperatūrai, viena iš keturių fundamentaliųjų sąveikų, stiprioji branduolinė sąveika, atsiskyrė nuo elektrosilpnosios, kuri vėliau išsiskirstė į šiandienines elektromagnetinę ir silpnąją branduolinę), praėjus maždaug 10^-36 sekundės po Didžiojo sprogimo, Visata ėmė plėstis ypatingai sparčiai. Per laiką iki 10^-32 sekundės po Didžiojo sprogimo Visatos dydis išaugo 10^26 kartų, o tūris atitinkamai 10^78 kartų. Palyginimui nuo infliacijos pabaigos iki dabar Visata išaugo panašiai tiek, kiek ir per infliaciją. Šitoks plėtimasis išlygino praktiškai visus netolygumus, buvusius Visatoje, o tuos, kurių neišlygino, išplėtė taip smarkiai, kad mes skirtumų pamatyti nebeturime galimybės. Taip pat infliacijos metu turėjo atsirasti gravitacinių bangų. Nebandysiu apsimetinėti, kad suprantu, kaip tai įvyko, tik pasakysiu, kad šis procesas yra susijęs su kvantinės mechanikos ir bendrosios reliatyvumo teorijos sandūra. Visgi įvyko taip, kad po infliacijos gravitacinės bangos ir jų ištampytas erdvėlaikis tapo pakankamai dideli, kad turėtų aptinkamą poveikį tolesnei Visatos raidai. Bent jau taip prognozuoja teorija, o šią prognozę galima patikrinti, stebint kosminės foninės spinduliuotės temperatūros svyravimus ir poliarizaciją.
Poliarizuoti fotonai
Šviesos bangos yra skersinės; tai reiškia, kad bangą sudarantys elektrinis ir magnetinis laukai svyruoja statmenai bangos judėjimo krypčiai (kita skersinė banga, kurią pamatyti galima labai paprastai, yra vizginama virvė arba banga vandens paviršiuje; kitokios – išilginės – bangos pavyzdys yra garso banga arba banga, judanti per ilgą minkštą spyruoklę). Krypčių, statmenų judėjimo krypčiai, iš principo yra be galo daug; tiesiog šiaip paleistame šviesos sraute kiekviena banga vibruoja skirtingoje plokštumoje (nors visos juda viena kryptimi). Maža to, net ir kiekvienos atskiros bangos svyravimų kryptis nuolat kinta. Tačiau kartais bangų svyravimai gali tapti labiau struktūrizuoti, pavyzdžiui, svyravimas gali susitelkti į vieną plokštumą. Tokia banga yra vadinama poliarizuota. Jei svyravimas yra vienoje plokštumoje, poliarizacija vadinama linijine, nes žiūrint lygiagrečiai bangos sklidimo krypčiai, elektrinio lauko vektorius svyruoja vienoje linijoje. Būna ir kitokia poliarizacija – apskritiminė arba elipsinė. Banga gali būti ir dalinai poliarizuota, tai reiškia, kad kažkuria viena kryptimi svyruojama tik šiek tiek daugiau, nei kitomis.
Suteikti šviesai bent dalinę poliarizaciją yra visai nesudėtinga. Paprasčiausias įžambiai krintančio spindulio atsispindėjimas nuo paviršiaus šviesą šiek tiek poliarizuoja, nes bangos, svyruojančios viena kryptimi, atsispindi prasčiau, nei svyruojančios kita. Taip pat ir eidamos pro terpės sutankėjimą ar praretėjimą, bangos yra šiek tiek poliarizuojamos. Tokie sutankėjimai pirmykštėje Visatoje poliarizavo ten lakstančius fotonus, o ši poliarizacija turėtų būti matoma kosminėje foninėje spinduliuotėje.
Yra du foninės spinduliuotės poliarizacijos tipai, kurie skiriasi tuo, kaip danguje išsidėsčiusios bangų poliarizacijos kryptys. Pirmasis, vadinamas E tipu, turėtų būti matomas kaip įvairių dydžių apskritimai, o antrasis, arba B, tipas – kaip spiralės (žr. paveiksliuką). Taip pat E tipo poliarizacija yra simetriška, B tipo – ne. Ir, kas svarbiausia, E tipo poliarizaciją sukuria tankio netolygumai pirmykštėje Visatoje, o B tipo poliarizacijos jie sukurti negali. Vienintelis žinomas tokios poliarizacijos pirmykštėje Visatoje šaltinis – gravitacinės bangos, atsiradusios infliacijos metu.
Kairėje – E tipo poliarizacijos apskritimas, dešinėje – B tipo. ©Nathan Miller, pavogiau iš UniverseToday
Taigi dabar jau prieiname prie šio atradimo, nes aptikta buvo būtent B tipo poliarizacija kosminėje foninėje spinduliuotėje.
Bicepsais žiūrime į kosmosą
Projektas BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization) yra detektorius Antarktidoje, kuriuo stebima dalis pietinio dangaus mikrobangų diapazone. Detektorius matuoja ateinančių spindulių poliarizaciją. Stebėjimai, reikalingi šiam atradimui pasiekti, buvo daromi 2010-2012 metais, duomenų reikėjo daug, nes poliarizacija, o ypač jos skirtumai skirtingose dangaus vietose, yra labai menka. Be to, reikėjo atsijoti pirmykštę poliarizaciją nuo spindulių poliarizavimo jiems keliaujant pro Visatos platybes. Judėdami pro galaktikų spiečius, spinduliai taip pat yra šiek tiek poliarizuojami. Be to, E tipo poliarizacija dėl sąveikos su medžiaga po truputį virsta į B tipą. O dar ir mūsų Galaktikoje esantys objektai spinduliuoja šiek tiek poliarizuotų mikrobangų. Visgi visus šiuos trukdžius pavyko pašalinti arba įvertinti jų poveikį ir gautas rezultatas, kurį matote žemiau.
BICEP2 išmatuotas poliarizacijos signalas (kairėje) ir sumodeliuotas signalas, kuris būtų gaunamas iš pirmykščių tankio netolygumų bei spinduliuotės sąveikos su medžiaga (dešinėje). Viršuje pavaizduotas E tipo poliarizacijos signalas, apačioje – B tipo. Spalvos rodo nukrypimus nuo vidurkio (E tipo atveju „iškilimus“ ir „įdubimus“, B tipo atveju – sukimąsi pagal ir prieš laikrodžio rodyklę), brūkšnelių ilgiai – poliarizacijos stiprumą; atkreipkite dėmesį, kad E ir B tipo poliarizacijos žemėlapių stiprumai skiriasi maždaug 6 kartus. ©BICEP2 collaboration 2014
Paveiksliuke matome poliarizacijos žemėlapius (kairėje) ir sumodeliuotas poliarizacijos vertes (dešinėje). Iškart akivaizdu, kad stebima B tipo poliarizacija yra gerokai stipresnė, nei sumodeliuota. Tai reiškia, kad egzistuoja kažkoks modelyje neįvertintas B tipo poliarizacijos šaltinis. Modelyje įvertinta spinduliuotės sąveika su medžiaga, jai judant nuo atsiskyrimo per rekombinacijos epochą (380 tūkst. metų po Didžiojo sprogimo) iki dabar, bei medžiagos pasiskirstymo netolygumų įtaka pirmykštėje Visatoje. Likęs neįvertintas elementas – pirmykštės gravitacinės bangos. Taigi vien iš šio žemėlapio matyti, kad tų gravitacinių bangų pirmykštėje Visatoje buvo ir kad jų poveikis yra visai gerai matomas. Tyrėjai, aišku, vien šituo žemėlapiu neapsiribojo, o padarė žymiai nuodugnesnę analizę, kuri iš esmės patvirtino tokią išvadą penkių sigmų reikšmingumu.
Taigi pirmykštės gravitacinės bangos aptiktos, dabar kyla klausimas, kas iš to.
Reikšmė infliacijai ir draugams
Neabejoju, kad per artimiausias savaites bus parašyta daug straipsnių – ir mokslinių, ir pažintinių – apie tai, kokia šių tyrimų reikšmė įvairioms su jais susijusioms teorijoms. Čia labai trumpai pateiksiu porą savo pastebėjimų, kurie nebūtinai yra teisingi.
Visų pirma, aptiktas aiškus gravitacinių bangų signalas. Nors šios bangos sukuriamos ne taip, kaip prognozuojama bendrojoje reliatyvumo teorijoje (t.y. nėra vieno judančio masyvaus objekto), jos visgi yra tos teorijos prognozė. Ir nors aptikimas nėra tiesioginis, jis yra mažiau netiesioginis nei pulsarų orbitos stebėjimai. Mažiau netiesioginiu šį aptikimą vadinu todėl, kad čia gravitacinės bangos praktiškai tiesiogiai paveikia spinduliuotę, kuri paskui keliauja mūsų link, o ne ilgalaikę objektų dinamiką. Gravitacinių bangų aptikimas dažnai vadinamas „svarbiausiu reliatyvumo teorijos išbandymu“. Joks jis ne svarbiausias, bet reikšmės tikrai turi. Taigi šis atradimas dar kartą įrodo bendrosios reliatyvumo teorijos teisingumą.
Antra, pirmykščių gravitacinių bangų egzistavimą prognozuoja infliacijos teorija. Šių bangų poveikį iš principo galima nustatyti ir tyrinėjant temperatūros netolygumus kosminėje foninėje spinduliuotėje. Pernykštė būtent tokių netolygumų analizė rodė, kad pirmykštės gravitacinės bangos jei ir egzistavo, tai buvo labai silpnos, gerokai silpnesnės, nei prognozuoja infliacija. Tai kėlė abejonių visos infliacijos teorijos teisingumu ir vertė ieškoti egzotiškesnių Visatos pradžios paaiškinimų. Nauji rezultatai smarkiai sustiprina infliacijos, kaip Didžiojo sprogimo teorijos esminės dalies, pozicijas, tačiau dar reikės išsiaiškinti, kodėl temperatūros netolygumų analizė davė tokius skirtingus rezultatus.
Trečia, gravitacinių bangų atsiradimą dėl staigaus Visatos plėtimosi prognozuoja kai kurios, bet lyg ir ne visos, kvantinės gravitacijos (kvantinės mechanikos ir bendrosios reliatyvumo teorijos susiejimo) teorijos. Šių bangų aptikimas gali padėti paneigti kai kurias tokias teorijas, o kitoms duos naujų svarbių duomenų.
Ketvirta, šiuo tyrimu parodytas dar vienas būdas, kaip pažvelgti į procesus, vykusius Visatoje iki rekombinacijos, t.y. tai, ko negalima matyti elektromagnetinių bangų spektre. Šie rezultatai turėtų suaktyvinti bandymus įvairiai tyrinėti pirmuosius 380 tūkstančių mūsų Visatos egzistavimo metų.
Kas toliau?
Moksliniai tyrimai niekada nesibaigia. Nors šis atradimas yra puikus, jis tikrai neatsako į visus klausimus. Kaip minėjau aukščiau, lieka neatsakytas klausimas, kodėl foninės spinduliuotės temperatūros svyravimai rodo gravitacinių bangų nebuvimą. Šitai išsiaiškinti galbūt padės nauji kosminio teleskopo Planck duomenys, kuriuose turėtų būti ir informacija apie foninės spinduliuotės poliarizaciją. Yra ir daugiau poliarizacijos tyrinėtojų – POLARBEAR projektas Čilėje bei Pietų ašigalio teleskopas Antarktidoje. Jų rezultatai turėtų patikslinti BICEP2 išvadas.
Kuo daugiau turėsime duomenų apie pirmykščių gravitacinių bangų poveikį, tuo tiksliau bus įmanoma nustatyti ir pačių bangų savybes. Kada ir kur jos atsirado, kaip sparčiai augo ir panašiai. Šiais rezultatais bus tikrinamos bendrosios reliatyvumo teorijos ir jos plėtinių prognozės bei aiškinamasi apie Visatos gimimo metu vykusius procesus.
Galų gale, beveik neabejoju, kad po šio atradimo suaktyvės ir bandymai tiesiogiai aptikti gravitacines bangas. Galbūt pagaliau bus paleistas ir kosminis jų detektorius.
O ar gaus BICEP2 komandos atstovai Nobelio premiją, prognozuoti nedrįstu. Palauksime ir sužinosime, galbūt net šiemet.
Tai tiek mano pasakojimo. Truputį išsiplėčiau, bet gal padėjo susigaudyti atradime. Rašydamas rėmiausi UniverseToday ir New Scientist straipsniais bei BICEP2 komandos publikacija, prieinama arXiv.
Laiqualasse