Вселената „помни“ гравитационните вълни

Гравитационните вълни преминават през цялата Вселена като пулсации в пространството и времето, породени от някои от възможно най-катастрофалните събития.

Със средства като Лазерния интерферометър на гравитационно-вълновата обсерватория (LIGO) и инструментариумът на лабораторията Viggo, сега можем да открием най-силните от тези пулсации, докато преминават около Земята. Но гравитационните вълни оставят след себе си „спомени“ – постоянно огъване на пространството и времето – докато преминават през тях, и сега сме на прага да можем да открием и това, което ни позволява да разберем максимално гравитацията.

Въпреки факта, че е на повече от век, теорията на Айнщайн за общата относителност е нашето сегашно разбиране за това как действа гравитацията. В тази теория, пространството и времето се сливат заедно в единна рамка, известна като пространство-време. Това пространство-време не е просто фиксирана сцена, но то се огъва в отговор на присъствието на материя и енергия.

Това огъване, изкривяване на пространство-времето след това продължава да казва на материята как да се движи. При общата относителност, всичко от светлината до куршума и изстреляните космически кораби искат да пътуват по права линия. Но пространство-времето около тях е изкривено, което принуждава всички да следват извити траектории – като опит да се пресече планински проход по права линия, но следвайки върховете и долините на топографията.

Това, което ние наричаме „гравитация“, е следствие от това изкривяване на пространство-времето и от факта, че движещите се обекти нямат друг избор, освен да следват кривите и вълнообразните чупки на пространство-времето около тях.

И като всяка друга гъвкава повърхност, пространство-времето не просто се огъва, но също така и вибрира.

Представете си, че стоите на батут, така вие ще го огънете надолу. Ако някой друг се опита да ходи по батута близо до вас, той ще почувства вашата „гравитация“ и ще бъде принуден да следва извит път. Но достатъчно далеч от вас, той дори няма да забележи гравитационното ви влияние.

Но ако започнете да скачате нагоре и надолу по батута, ще изпратите вълни и тремора през цялата му площ и преминаващите през батута ще бъдат повлияни от вашето движение, колкото и далеч от вас да се намират.

Гравитационните вълни действат по същия начин, предавайки енергия през пулсации в самата тъкан на пространство – времето. Тези пулсации произлизат от почти всеки възможен вид движение, но тъй като гравитацията е толкова слаба (това е най-слабата сила на природата), а гравитационните вълни стават все по-слаби, само най-силните енергийни движения са способни да създават вълни, които да бъдат открити с инструменти тук на Земята.

Досега нашите гравитационно-вълнови обсерватории LIGO и Virgo са забелязали десетки катастрофални събития, включващи сливания на масивни черни дупки и неутронни звезди. Гравитационните вълни от тези събития преминават из цялата Вселена и разбира се над Земята. Когато го правят, те изключително леко (с по-малко от ширината на един атом) движат нещата наоколо.

Дори и нас. В момента всички сме леко притискани и опъвани от гравитационни вълни от бурни събития на милиарди светлинни години от нас.

Може да си мислите, че събитието е приключило, след като вълната премине. Но гравитацията е сложно нещо, а гравитационните вълни са още по-трудни.

Почти всеки вид движение задейства генерирането на гравитационна вълна, от черните дупки, които се разбиват една в друга, до движението когато махате с ръка. И дори самите гравитационни вълни предизвикват появата на нови такива.

Докато гравитационните вълни пулсират през пространство- времето, те се превръщат в източник на нови гравитационни вълни, които се превръщат в източник на нови гравитационни вълни, които се превръщат в източник на нови гравитационни вълни и т.н. Всяко ново поколение вълни е по-слабо от предходното, но ефектът се състои в това, което учените наричат „памет“ на пространство-времето – трайното му изкривяване, оставено вследствие на преминаваща гравитационна вълна.

С други думи, когато гравитационните вълни ни обливат, ние не просто се разтягаме и свиваме временно. Когато вълната вече е преминала, ние си оставаме за постоянно опънати.

Тъй като гравитационните вълни, генерирани от гравитационните вълни, са толкова слаби, все още не сме намерили доказателства за тази „памет“ на пространство- времето, но трябва да е там, дебнеща в данните, получени от LIGO и Virgo. Това, което трябва да видим, е трайно изместване на позицията на детекторите, много след преминаването на потвърденото събитие на гравитационната вълна.

Наскоро екип от астрономи проучи какво ще е необходимо, за да видят най-накрая „паметта“ на гравитационната вълна. Тъй като всяко отделно събитие оставя след себе си само невероятно слаба памет, няма да можем да видим подобни явления единично, едно след друго. Вместо това трябва да съберем множество събития, за да изградим доказателствата, необходими за да открием паметта на гравитационна вълна.

И колко събития ще ни трябват? Изследователите прогнозират, че ще трябва да запишем около 2000 индивидуални сливания на черни дупки, преди да успеем да забележим останалата след събитието постоянна памет. Този брой откривания няма да се случи скоро, но следващото поколение гравитационни вълнови обсерватории, които се предполага, че биха събирали около 10 събития на ден, биха могли да намерят този „спомен“ в рамките на една година наблюдения.

Тази постоянна „памет“ на пространство-времето трябва да е налице – ако прогнозите от теорията на общата относителност са верни. И ако не се намери нищо след няколко години търсене, ще трябва да се преразгледа разбирането за гравитацията и да се види дали не сме забравили нещо.