O znaczeniu 1/400 średnicy protonu
Cz stki subatomowe, takie jak elektrony, neutrony i protony, s rozmytymi obiektami, których pozorna wielko zale y do tego, jak próbujemy je zmierzy . Niemniej jednak w przypadku protonów do wygodnym oszacowaniem rednicy jest , –, femtometrów, czyli oko o – attometrów. Wspomniane wcze niej ruchy zwierciade w detektorach fal grawitacyjnych wynosz ce cztery attometry stanowi wi c oko o / rednicy protonu. To niezbyt wiele, jak mo na by pomy le , aby mog o by zapami tane i celebrowane przez nast pne stulecia.
Jednak detektory fal grawitacyjnych wzmacniaj te ruchy, wielokrotnie odbijaj c promienie wietlne mi dzy zwierciad ami. Zwierciad a dzia aj parami, oddzielone w tych pierwszych detektorach o oko o km, ale wi zki wiat a, po odbiciu mi dzy zwierciad ami oko o razy, przebywaj oko o km. Ruchy zwierciade s wi c wzmacniane -krotnie –do oko o attometrów, czyli oko o % wielko ci protonu. Proste, je li kto jest zykiem subatomowym, ale % protonu to nadal bardzo niewiele wed ug naszych codziennych standardów. Gdzie wi c le y tego znaczenie?
Odpowied jest taka, e te minimalne zmiany w obr bie dwóch instrumentów na Ziemi pochodz ze zdarzenia, które przez u amek sekundy wytworzy o pi razy wi cej energii ni ca a reszta Wszech wiata razem wzi ta (a ta ca a reszta Wszech wiata sprowadza si do oko o gwiazd jak nasze S o ce lub do planet takich jak nasza Ziemia), a niektóre szacunki sugeruj , e Wszech wiat mo e mie nawet oko o razy wi ksz mas . Powodem, dla którego tak zadziwiaj co ogromna przyczyna wytworzy a tak zadziwiaj co ma y efekt na Ziemi, jest po prostu odleg o . Zdarzenie, które wytworzy o na Ziemi sygna { } GW , mia o miejsce oko o megaparseków od nas. A megaparseków to oko o , lat wietlnych, czyli inaczej , m, wi c zdarzenie to w istocie mia o miejsce oko o , lat temu.
A zatem sygna fali grawitacyjnej, który sta si { } GW , podró owa do nas w przestrzeni – i oczywi cie w innych kierunkach te – od pocz tku ery mezoprotezoiku, gdy jednokomórkowe organizmy o wielko ci , mm, zwane eukariontami, ewoluowa y na Ziemi. Sygna przeby oko o / drogi w naszym kierunku, gdy trylobity p ywa y w ziemskich morzach, ale nadal mia do przebycia jeszcze % trasy, gdy tyranozaury zajada y si stekami z ankylozaurów na terenach, które s dzi pó nocnym Meksykiem i zachodni cz ci USA i Kanady.
Ta ogromna ilo energii ze zwyk ego zdarzenia { } GW jest dzi roz o ona na kuli o równie niewyobra alnej powierzchni parseków kwadratowych czyli metrów kwadratowych – a jej nat enie jest wi c teraz odpowiednio niesko czenie ma e.
Co było przyczyną {10} GW150914?
Pierwsza osoba, która mog a odpowiedzie na pytanie postawione w tytule tego punktu, zaczerpn a pierwszy oddech w Bo e Narodzenie roku. Wielebny John Michell urodzi si
Co było przyczyną {10} GW150914?
trzy lata przed mierci Izaaka Newtona w przybli eniu km na pó noc od Woolsthorpe-by-Colsterworth, miejsca urodzenia Newtona. Pi dziesi t dziewi lat pó niej Michell zacz zastanawia si nad gwiazdami o rednicy razy wi kszej od S o ca – czyli o masach oko o M * – i doszed do wniosku, e pr dko ucieczki do nich by aby równa pr dko ci wiat a. Nazwa te obiekty „ciemnymi gwiazdami”, gdy nie jeste my w stanie zobaczy ich wiat a. Teraz nazywamy je czarnymi dziurami.
Dwie cie trzydzie ci siedem lat pó niej nadal nikt nie widzia czarnej dziury, gdy s one w ko cu czarne. Nawet tak bardzo nag o niony w roku „obraz czarnej dziury M ” (rys. . ) by w istocie obrazem cienia czarnej dziury.
Rysunek 1.3. | Cień supermasywnej czarnej dziury w środku dużej galaktyki eliptycznej M87 w gwiazdozbiorze Panny [reprodukcja za zgodą EHT Collaboration], https://www.science.org/content/article/images-black-hole-reveal-howcosmic-beasts-change-over-time
Nasze wspó czesne rozumienie czarnych dziur nie ró ni si wiele od tego, co uwa a Michell – we my S o ce, ci nijmy je w kul o promieniu km – i mamy obiekt, którego pr dko ucieczki równa si pr dko ci wiat a.
Ten -kilometrowy promie nazywany jest promieniem Schwarzschilda dla S o ca –a inne masy staj si czarnymi dziurami, gdy ich rozmiary osi gn promienie Schwarzschilda. Zwi zek opiera si na prostej proporcjonalno ci, wi c cia o maj ce mas S o ca ( M ) ma promie Schwarzschilda km, a cia o o masie , M ma promie Schwarzschilda , km itd. Promie Schwarzschilda Ziemi wynosi mm, a typowy cz owiek musia by zosta ci ni ty do oko o , attometrów, aby osi gn stan czarnej dziury, jednak by oby
* M – masa S o ca (przyp. red.).
to bardzo ulotne – w ci gu oko o – sekundy wyparowaliby my w postaci promieni poprzez promieniowanie Hawkinga (dodatek B ) lub w nawet krótszym czasie (~ – sekundy) znikn liby my w naszej w asnej osobliwo ci, osi gaj c jeszcze wi kszy rozg os.
Jednak istnienie czarnych dziur we Wszech wiecie jest dobrze zbadane, cho czekamy jeszcze na to, aby zobaczy je bezpo rednio (patrz ramka . ). Dowód na ich istnienie opiera si na stabilno ci obiektów o masach zbli onych do masy S o ca lub wi kszych. Podczas gdy takie obiekty nadal wytwarzaj energi w wyniku syntezy j drowej, s bardzo gor ce, lecz sk adaj si z mniej wi cej zwyczajnych gazów, w których normalne ci nienie gazu równowa y grawitacj .
Gdy reakcje termoj drowe dobiegaj ko ca, zwyk e ci nienie gazu nie wystarcza ju do zrównowa enia grawitacji i gwiazdy zaczynaj si zapada . Istniej jednak jeszcze dwa istotne ród a ci nienia – to zwi zane z elektronami i to zwi zane z neutronami, a ponadto wiat o czy bardziej ogólnie promieniowanie elektromagnetyczne tak e wywiera ci nienie (dodatek C. ).
Tak wi c w przypadku gwiazd, których masy s mniejsze ni oko o , masy S o ca, ci nienie elektronów mo e zatrzyma zapadanie si i gwiazda staje si bia ym kar em (rys. . ). Gwiazdy o masach mi dzy , a , M b d si zapada poza stan bia ego kar a i stan si
Rysunek 1.4. | Obraz HST Syriusza ( Cma). Syriusz jest układem podwójnym z gwiazdą ciągu głównego (Syriusz A) o masie 2 M i białym karłem (Syriusz B) o masie 1 M na wspólnych orbitach. Syriusz A znajduje się na środku obrazu i jest znacznie prześwietlony. Linie ukośne to piki dyfrakcyjne powstające na wspornikach zwierciadeł wtórnych. Syriusz B jest znacznie mniejszą kropką na dole po lewej, ale sama gwiazda ma średnicę około dziesięciotysięcznej części tej kropki w skali tego zdjęcia, w rzeczywistości zaś około 11 000 km. Ma więc masę około 300 tys. mas Ziemi, ściśniętą w objętości nieco mniejszej niż Ziemia [reprodukcja za zgodą NASA, ESA, H. Bond (STScI) i M. Barstow (University of Leicester)]
Co było przyczyną {10} GW150914?
gwiazdami neutronowymi. Jednak nie ma wi cej stanów stabilnych – ka dy ci ni ty obiekt o masie powy ej , M albo musi sta si czarn dziur , albo by na pewnym etapie procesu zapadania si w czarn dziur . Silne ród o promieni rentgenowskich, Cyg X- , jest na przyk ad uk adem podwójnym z o onym z gor cej gwiazdy supergiganta oraz zwartego obiektu jako jej towarzysza (rys. . ). Masy obu elementów wynosz – M dla supergiganta i oko o M dla zwartego obiektu. Obiekt zwarty Cyg X- jest wi c z pewno ci czarn dziur .
Rysunek 1.5. | Impresja artystyczna układu podwójnego gwiazdy Cyg X-1 z czarną dziurą. Część widocznej gwiazdy (HD 226868, 9m, typ O) jest pokazana po prawej stronie obrazu. Spada z niej materia w kierunku czarnej dziury i zaczyna krążyć na orbicie dysku akrecyjnego wokół czarnej dziury. Obiekt podobny do gwiazdy na krawędzi dysku akrecyjnego, gdzie wpadająca materia zderza się z nim, to gorący punkt generowany przez zderzenie. Czarna dziura jest ukryta w środku dysku akrecyjnego i w skali tego obrazu miałaby średnicę około 100 nm. Materia wpadająca w czarną dziurę generuje dwie relatywistyczne strugi, które są wyrzucane wzdłuż linii osi obrotu czarnej dziury. Pokazana jest struga (dżet) zbliżająca się do czarnej dziury, a struga oddalająca się jest przesunięta w kierunku czerwieni i niemal niewidoczna [reprodukcja za zgodą NASA/CXC/M. Weiss], https://imagine.gsfc.nasa.gov/features/yba/CygX1_mass/cygX1_ more.html
Wracaj c do { } GW , wiele gwiazd, zapewne wi cej ni po owa, nale y do uk adów gwiazd podwójnych, potrójnych, poczwórnych lub z wi ksz liczb gwiazd. Oko o lat temu taki uk ad podwójny powsta z dwóch czarnych dziur, a by y one co najmniej dwa razy bardziej masywne ni ta tworz ca Cyg X- . Nasze szacunki mówi w istocie, e maj one odpowiednio i M , a wi c rednic oko o i km.
Nie wiemy, jak ten uk ad podwójny powsta ani sk d si wzi y te czarne dziury, ale dwa sk adniki w postaci czarnych dziur zapewne by y kiedy bardziej oddalone od siebie
Rozdział 4 • Fale grawit acyjne: od niejasnych przypuszczeń do pewności
od Regulusa. Gdzie w obr bie tych dwóch obszarów istnieje % szansa na znalezienie ród a fal grawitacyjnych. Jednak ten obszar poszukiwa nadal wynosi oko o stopni kwadratowych, czyli oko o tys. ksi yców w pe ni, i wci jest to zbyt du y obszar nieba, aby z du nadziej na sukces polowa na ród o { } GW przy u yciu wiat a, fal radiowych, promieni gamma itd. W chwili pisania tego tekstu po o enie na niebie ród a { } GW pozostaje zatem nieznane. Niemniej jednak na podstawie zarejestrowanych fal grawitacyjnych sporo wiemy o ich ródle.
Kszta t sygna u fali grawitacyjnej (rys. . ) nazywa si „ wierkiem”, to znaczy, e jego cz stotliwo i amplituda wzrasta w czasie trwania sygna u – gdyby my mogli us ysze fal , brzmia aby ona jak bardzo krótkie wierkni cie ptaka. W rzeczywisto ci mo emy pos ucha fali grawitacyjnej przekszta conej w d wi k i spowolnionej (szybkie poszukiwanie w Internecie has a „d wi k { } GW ” spowoduje wy wietlenie kilku witryn). Sygna typu wierk jest charakterystyczny dla czenia si dwóch obiektów w ciasnym uk adzie podwójnym, gdy bowiem obiekty zbli aj si do siebie, skraca si ich okres orbitalny, a zatem wzrasta cz stotliwo powsta ej fali grawitacyjnej (rozdzia ).
Dla { } GW ród em fal by y dwie masywne czarne dziury tworz ce uk ad podwójny (dalsze omówienie czarnych dziur i ich spinów, innych w asno ci oraz tego, czy w ogóle istniej , znajduje si w rozdzia ach i , ramce . i dodatku B. ), które zderzy y si i po czy y tworz c pojedyncz , jeszcze masywniejsz czarn dziur . Wiemy, e ród o musia o by podwójne, poniewa sygna mia posta wierku. Szczegó y wierku zawieraj znacznie wi cej informacji ni tylko to. Nawet je li nie mo na by o okre li po o enia ród a na niebie i nie mo na go powi za z ewentualn emisj promieniowania elektromagnetycznego, promieniowania kosmicznego czy neutrin pochodz cych z tego po czenia, nadal mo emy okre li jego odleg o , mas pocz tkow i ko cow czarnej dziury oraz ilo materii, która zosta a przekszta cona w promieniowanie grawitacyjne.
Ramka . . Nigdzie we Wszech wiecie nie ma czarnych dziur
Poniewa czarne dziury wspominane s wiele razy w tej ksi ce, szeroko w innych miejscach literatury naukowej i cz sto w popularnych gazetach i telewizji, zaskoczy mo e fakt, e prawdopodobnie nie istniej one nigdzie w widzialnym Wszech wiecie. Jak zobaczymy za chwil , pod pewnymi wzgl dami jest to zbyt drobiazgowe stwierdzenie, ale ma jedn wielk zalet , przynajmniej dla zyków. Zalet jest to, e je li czarne dziury nie istniej , to nie istniej te osobliwo ci (rozdzia ), które wed ug ogólnej teorii wzgl dno ci b d znajdowa si w ich centrum, a zycy czuj si bardzo nieswojo z osobliwo ciami.
Nieistnienie rzeczywistych czarnych dziur wynika ze spowolnienia zegarów w polach grawitacyjnych, które omawiali my wcze niej (rozdzia , w cz ci zatytu owanej „Testy do wiadczalne ogólnej teorii wzgl dno ci”). Tam widzieli my, e obserwator na szczycie Everestu uwa a aby, e zegar na poziomie morza odmierza czas wolniej ni jego w asny, poniewa grawitacja Ziemi jest nieco silniejsza na poziomie morza ni na szczycie Everestu.
Aby zobaczy , jak to obala istnienie prawdziwych czarnych dziur, wyobra my sobie najpierw siebie w odleg ym zak tku przestrzeni mi dzygalaktycznej, gdzie si a lokalnej grawitacji b dzie mo liwie bliska zeru. Wyobra my sobie równie , e mamy ze sob dwa zegary i teleskop, a w bezpiecznej odleg o ci znajduje si czarna dziura. Nast pnie pozwólmy, aby jeden z zegarów zacz spada w kierunku czarnej dziury i led my up ywaj cy na nim czas, obserwuj c go przez nasz teleskop. Gdy zegar b dzie spada , zacznie si przemieszcza w rejony o silniejszej grawitacji, poniewa b dzie zbli a si do czarnej dziury. Porównuj c czas na nim z czasem zegara, który mamy przy sobie, czas na spadaj cym zegarze b dzie up ywa coraz wolniej, im bardziej b dzie si on zbli a do czarnej dziury. Gdy zegar dotrze do powierzchni czarnej dziury, tj. jej promienia Schwarzschilda (rozdzia ), ca kowicie si zatrzyma. To znaczy, na powierzchni czarnej dziury czas przestanie up ywa . Pr dko spadaj cego zegara jest mierzona w metrach na sekund , przy up ywie zero sekund przebyty zostanie zerowy dystans. Innymi s owy, my, jako odlegli obserwatorzy zewn trzni, zobaczymy, e w naszych ramach czasowych spadaj cy zegar zatrzyma si na zawsze, gdy dotrze do powierzchni czarnej dziury.
Ale zegar to jedynie troch materii, by mo e bardziej skomplikowanej ni inne jej fragmenty, ale wci to tylko troch materii. Ka dy inny jej fragment wpadaj cy do czarnej dziury b dzie zatem zachowywa si tak samo jak zegar – zatrzyma si na powierzchni czarnej dziury – i dotyczy to ca ej materii, która tworzy sam czarn dziur . Tak wi c ca a materia, o której my leli my, e znajduje si wewn trz czarnej dziury, w rzeczywisto ci wci jest nieruchoma na jej zewn trznej kraw dzi, a wi c czarna dziura nigdy tak naprawd nie powstaje.
To ostatnie stwierdzenie nie oznacza, e wszystkie teoretyczne i obserwacyjne badania czarnych dziur z ostatnich lat s b dne – poniewa obiekt o promieniu prawie czarnej dziury, którego masa prawie przekracza promie Schwarzschilda, b dzie mia prawie identyczne w a ciwo ci jak „prawdziwa” czarna dziura i dla wi kszo ci celów mo e tak by traktowany.
Za ó my teraz, e na pocz tku powy szego eksperymentu my lowego po lizgn li my si i to my zamiast zegara spadli my w kierunku czarnej dziury. Dla innego zewn trznego obserwatora nadal nast pi ta sama sekwencja zdarze i b dzie widzia nas lub nasze bardzo zniekszta cone szcz tki, zatrzymane w odleg o ci promienia Schwarzschilda.
A jak do wiadczenie my odbierzemy podszas naszego spadania? Gdyby my mogli zachowa wiadomo podczas wpadania do czarnej dziury, wówczas odkryliby my, e spadamy w jej kierunku z coraz wi ksz pr dko ci i wydaje si , e przechodzimy g adko przez promie Schwarzschilda, osi gaj c wtedy pr dko wiat a w odniesieniu do czarnej dziury.
Innymi s owy, mamy dwóch obserwatorów, którzy dysponuj zupe nie ró nymi relacjami z tego, co si wydarzy o. A wi c ogólna teoria wzgl dno ci nie musi by z a, prawda?
To jeszcze nie ca kiem jest koniec, poniewa nasza dotychczasowa relacja z naszego dowiadczenia jest niekompletna. Gdyby my podczas spadania spojrzeli z powrotem na reszt Wszech wiata, a nie w kierunku czarnej dziury, zobaczyliby my, e w pozosta ej cz ci Wszechwiata czas up ywa coraz szybciej. W momencie wchodzenia do czarnej dziury, w ostatniej male kiej chwili przed jej przekroczeniem zobaczyliby my, jak reszta istnienia Wszech wiata przemija przed naszymi oczami. Zewn trzny obserwator i reszta Wszech wiata nie istnieliby zatem, gdyby my weszli do wn trza czarnej dziury. Nie ma zatem adnej sprzeczno ci mi dzy relacjami obserwatorów, poniewa zewn trznego obserwatora nie by o w pobli u, gdy wchodzili my do czarnej dziury, a wi c ogólna teoria wzgl dno ci yje i nie poddaje si .
Wprowadzenie
Fakt, e yjemy na dnie g bokiej studni grawitacyjnej, na powierzchni pokrytej gazem planety kr cej wokó atomowej kuli ognia oddalonej o milionów mil i uwa amy, e jest to normalne, stanowi to oczywi cie pewien wska nik tego, jak skrzywiona jest nasza perspektywa (…). [Douglas Adams, „Czy istnieje sztuczny bóg?”. Przemówienie na konferencji Digital Biota , Magdelene College, Cambridge, . Cytowane przez Bruce’a Damera w ho dzie upami tniaj cym Adamsa na http://www.biota.org/people/douglasadams/].
cz ce si ze sob uk ady podwójne czarnych dziur przez krótki czas podczas ich oddzia ywania z pewno ci emituj fale grawitacyjne. Ale czy to wszystko? Czy znale li my lub mo e wkrótce znajdziemy fale grawitacyjne generowane przez inne zjawiska? Odpowiedzi na te dwa pytania, w tej samej kolejno ci, brzmi zdecydowanie: Nie i Tak. W tym rozdziale przyjrzymy si , czym mog by te inne i/lub jeszcze nieodkryte ród a, jak wytwarzaj fale grawitacyjne i co fale grawitacyjne mog nam powiedzie o swoich ród ach.
W a ciwie dla prawie wszystkiego, co dzieje si we Wszech wiecie, trudno jest nie generowa fal grawitacyjnych. Wystarczy trzepot skrzyde kilku motyli lub drganie kilku elektronów, a zmiany w ich polach grawitacyjnych rozprzestrzeni si w postaci fal grawitacyjnych do najdalszych zak tków Wszech wiata.
W praktyce prawie jedynymi poruszaj cymi si obiektami, które nie emituj fal grawitacyjnych, s idealne kule obracaj ce si , rozszerzaj ce lub kurcz ce i to tylko pod warunkiem, e ich ruchy s symetryczne, jak te idealne walce, które obracaj si wokó swoich osi obrotu.
Fal grawitacyjnych nie b dzie generowa kula obracaj ca si wokó dowolnej osi przechodz cej przez jej rodek, a tak e podczas rozszerzania si lub kurczenia promieni cie na zewn trz lub do rodka. Nie b dzie ich generowa , je li jej g sto b dzie zmienia si w ca ym wn trzu pod warunkiem, e zmiany g sto ci b d tworzy jednolite sferyczne pow oki o tym samym rodku co ca a kula. Fal grawitacyjnych nie wytworzy uderzenie przez gracza w snookera idealnej bili, powoduj ce jej rotacj , aczkolwiek fale wygeneruje jej liniowy ruch po stole. Wystarczy jednak, e gracz natrze kij kred i zostawi odrobin kredy na powierzchni wiruj cej bili, to nie b dzie ju idealna kula i podczas swojego obrotu zacznie generowa fale grawitacyjne. Podobnie, nie wygeneruje fal grawitacyjnych jednorodna gwiazda sferyczna, która eksploduje ca kowicie równomiernie i promieni cie ze swojego centrum jako supernowa, natomiast taka jednorodna eksplozja jest bardzo ma o prawdopodobna, wi c wi kszo supernowych prawdopodobnie b dzie ród em fal grawitacyjnych.
Grawitacyjnie ciemny b dzie równie jednolity walec wiruj cy wokó swojej d ugiej osi. Jako naturalne zjawiska w ca ym Wszech wiecie obiekty w kszta cie walca s prawdopodobnie rzadkie, natomiast nie s nimi obiekty w kszta cie hantli. Kometa P/Czuriumow–Gierasimienko, prawdopodobnie lepiej znana obecnie jako kometa [misji] Rosetty (rys. . ), Rozdział 5 •
to dwa mniejsze, prawie kuliste obiekty, które zderzy y si i lu no z czy y ze sob . Gdyby obraca a si wokó swojej d ugiej osi, jej emisja fal grawitacyjnych by aby niewielka, cho niezerowa, poniewa jest do porowata. Ta kometa nie obraca si jednak wokó d ugiej osi, a nawet gdyby tak by o, by aby to pozycja niestabilnej równowagi i nawet najmniejsze zak ócenie spowodowa oby, e zmieni aby j na inn , bardziej stabiln o obrotu. Chocia Wszech wiat prawdopodobnie zawiera wiele obiektów przypominaj cych komet Rosetty, niewiele z nich b dzie grawitacyjnie ciemnych.
Rysunek 5.1. | Kometa 67P/Czuriumow–Gierasimienko (kometa Rosetty) sfotografowana z odległości około 86 km przez sondę Rosetta [zdjęcie opublikowane za zgodą ESA – Europejskiej Agencji Kosmicznej, https://commons.wikimedia. org/wiki/File:Comet_67P_ on_14_March_2015_–_NavCam.jpg]
Potencjalnie obserwowalne źródła fal grawitacyjnych
Oczywi cie minie du o czasu, zanim b dziemy mogli wykry fale grawitacyjne pochodz ce od machania skrzyd ami przez obce motyle, od ladów kredy na wiruj cych kulach bilardowych, a nawet od komet w kszta cie hantli. Nasze obecne detektory s zbyt ma o czu e, aby wykry tak s abe fale.
Poszukajmy zatem bardziej prawdopodobnych kandydatów. W praktyce, w ród detekcji, które mia y miejsce (patrz poni ej oraz rozdzia ), znalaz y si zdarzenia zwi zane z falami grawitacyjnymi powstaj cymi w wyniku czenia si elementów uk adów podwójnych sk adaj cych si z czarnej dziury i gwiazdy neutronowej lub dwóch gwiazd neutronowych. Zupe nie odmienne podej cie ni bezpo rednie detektory, takie jak AdvLIGO i AdvVirgo, równie po rednio pokaza o, e para gwiazd neutronowych orbituj cych wokó siebie emituje fale grawitacyjne w sposób ci g y (patrz poni ej).
Rozdział
Załóżmy, że jakieś bardzo bliskie zdarzenie wytworzyło intensywne fale grawitacyjne, czy możemy zostać ranni?
Nie, chocia gdyby to by rozb ysk gamma, mogliby my nie zauwa y , e fale grawitacyjne nie wyrz dzaj nam adnej szkody, poniewa zostaliby my upieczeni przez promienie gamma z rozb ysku w tej samej chwili, w której dotar yby do nas fale grawitacyjne.
OK, ale czy w takim razie może to mieć wpływ na Ziemię/Słońce/ Układ Słoneczny?
Mo na z ca pewno ci stwierdzi , e nie ma to negatywnych ani te pozytywnych skutków. { } GW by o jednym z dotychczas zaobserwowanych silniejszych zdarze zwizanych z falami grawitacyjnymi (tab. . ) i zdo a o zmieni d ugo jednego z -kilometrowych ramion AdvLIGO o zaledwie , % rednicy protonu, tj. oko o – m. Odleg o { } GW wynosi a oko o megaparseków, a amplituda sygna u fali grawitacyjnej jest odwrotnie proporcjonalna do odleg o ci od jej ród a. Gdyby wi c { } GW wyst pi o w odleg o ci Proximy Cen ( , parseka), fala grawitacyjna zmieni aby d ugo -kilometrowego ramienia AdvLIGO o ~ nm. To jest szeroko oko o atomów wodoru. Prawdopodobnie przepali yby si wszystkie bezpieczniki AdvLIGO, ale nie mia oby to innych efektów makroskopowych.
W temperaturze pokojowej atomy, nawet w materia ach sta ych, poruszaj si bilionów razy na sekund o maksymalnie oko o , nm. W gazach atomy pomi dzy zderzeniami poruszaj si swobodnie z pr dko ci metrów na sekund , te zderzenia za wystpuj w przypadku gazów atmosferycznych co oko o nm. Zazwyczaj wi c ka dy atom w gazie po jednej sekundzie przesunie si o oko o ~ mm ( nm) od punktu pocz tkowego. Tak wi c ruchy atomów spowodowane falami grawitacyjnymi b d trywialne w porównaniu z normalnymi termicznymi ruchami atomów, których do wiadczamy przez ca y czas.
Inny powód braku efektów makroskopowych w przypadku fal grawitacyjnych to ich d ugo . Przy Hz odleg o od jednego maksimum fali grawitacyjnej do nast pnego wyniesie tys. km. Zak adaj c zatem, e mamy m wzrostu i fala grawitacyjna w druje pionowo w gór lub w dó naszego cia a, wtedy ca e nasze cia o oraz ca e otoczenie w zasi gu kilkudziesi ciu kilometrów w danym momencie b dzie do wiadcza prawie dok adnie takiego samego przemieszczenia.
Gdyby cz stotliwo fal grawitacyjnych wynosi a np. GHz (obecnie nie znamy ród a fal o takiej wysokiej cz stotliwo ci) wtedy niektóre cz ci naszego cia a mog yby si unosi , a inne spada i potencjalnie takie napr enia p ywowe mog y spowodowa uszkodzenia, ale przy ró nicy ruchów wynosz cej zaledwie nm niczego nie poczujemy.
Wi ksze obiekty mog yby by bardziej podatne na uszkodzenia p ywowe powodowane przez fale grawitacyjne. Przechodz ca przez Ziemi fala o cz stotliwo ci Hz spowodo-
Źródła fali grawitacyjnej: pierwsza Nagroda Nobla
wa aby, e jednocze nie na planet oddzia ywa yby cztery lub pi fal. Dla fali o amplitudzie – ró nice w przemieszczeniu materii pomi dzy szczytami i dolinami tych fal wynios yby od oko o – do oko o – m. Dla porównania, trz sienie ziemi o sile zero w skali Richtera, wyst puj ce w odleg o ci km od nas, spowodowa oby, e grunt, na którym stoimy, porusza by si o – m, a zatem Ziemia prawdopodobnie przetrwa aby bez wi kszych trudno ci zdarzenie s absze o jakie milionów razy ni takie trz sienie ziemi. Podobnie S o ce przejdzie bez szwanku przez efekty bardzo bliskiej fuzji czarnych dziur i wynikaj ce z tego fale grawitacyjne.
Mo liwe jedynie, e w ca ym Uk adzie S onecznym orbity niektórych obiektów mog yby si bardzo nieznacznie zmieni i kilka wieków po zdarzeniu fali grawitacyjnej b dziemy mogli zauwa y , e obiekty te znajduj si kilka metrów od miejsca, w którym my leli my, e powinny by .
Źródła fali grawitacyjnej: pierwsza Nagroda Nobla
adna liczba przeprowadzonych eksperymentów nigdy nie udowodni, e mam racj . Pojedynczy eksperyment mo e dowie , e si myli em. (Powiedzenie szeroko przypisywane Albertowi Einsteinowi, ale jego autorstwo nie jest potwierdzone. Prawdopodobnie sparafrazowane z notatki wyra aj cej podobne przemy lenia, któr napisa w w ksi dze pami tkowej dla zyka Heike Kamerlingh Onnesa).
grudnia w trakcie bankietu w Sztokholmie Russell Hulse i Joseph Taylor otrzymuj Nagrod Nobla w dziedzinie zyki za odkrycie fal grawitacyjnych. Po przystawce z marynowanego ososia na ikrze ososiowej zaserwowano pol dwic z renifera i kurki, a uwie czeniem kolacji by sorbet z poziomek. Temu wszystkiemu towarzyszy o Moët & Chandon, St Emilion i Sauternes Baron Rothschild, po którym podano digestif. Obaj w a nie otrzymali Nagrod Nobla w dziedzinie zyki w roku. W swoim przemówieniu na bankiecie Joseph Taylor powiedzia :
(…) Russell Hulse i ja nie wyruszyli my w roku po to, aby zacz wykrywa fale grawitacyjne ani nawet by przeprowadza eksperymenty nad fundamentaln natur grawitacji. Zamiast tego postanowili my stworzy map globu niebieskiego z nowym typem gwiazdy (…). [Joseph Taylor. Stockholm, . Joseph H. Taylor Jr.–Banquet speech. NobelPrize. org. Nobel Media AB . Thu. Jan . https://www.nobelprize.org/prizes/physics/ / taylor/speech/].
Ale w rozdziale dowiedzieli my si , e grudnia roku Rainer Weiss, Barry Barish i Kip Torne w trakcie bankietu w Sztokholmie otrzymali Nagrod Nobla w dziedzinie zyki za odkrycie fal grawitacyjnych. Czy król Karol XVI Gustaw w tym drugim przypadku przyniós ze sob niew a ciwe notatki z przemówieniem?
Spokojnie – król Szwecji w adnym wypadku nie przyzna by nagród niew a ciwym ludziom.
Hulse i Taylor pokazali po rednio, e fale grawitacyjne prawdopodobnie istniej , natomiast Weiss, Barish i Torne bezpo rednio zaobserwowali fale grawitacyjne.
W celu wyja nienia powodu przyznania tych dwóch Nagród Nobla musimy cofn si do roku i nies awnego nieprzyznania Nagrody Nobla astro zyczce Jocelyn Bell-Burnell. W tym roku Bell-Burnell odkry a pierwszy pulsar, b d c doktorantk pod opiek Antony’ego Hewisha – jednak Nagrod Nobla w dziedzinie zyki w roku otrzyma Hewish wraz z Martinem Rylem, a nie Bell-Burnell. W przeciwie stwie do tego Hulse by absolwentem
Taylora i mia udzia w tej Nagrodzie Nobla.
Tak czy inaczej odkryto pierwszy pulsar, a wkrótce po nim wiele innych podobnych uk adów. Pulsary to obracaj ce si gwiazdy neutronowe, które emituj wi zk promieniowania, dzi ki czemu widzimy jasny impuls za ka dym razem, gdy wi zka przecina nasz lini widzenia, niczym b yski z latarni morskich (patrz tak e rozdzia y i ).
Gwiazdy neutronowe i pulsary
Potencjalne istnienie gwiazd neutronowych przewidziano zaledwie dwa lata po tym, jak w roku James Chadwick odkry sam neutron. Walter Baade i Fritz Zwicky zasugerowali, e pozosta o ci po supernowych mog przybra form niezwykle g stych obiektów, w du ej mierze utworzonych z neutronów, o masach porównywalnych do S o ca, ale o rednicy zaledwie kilku kilometrów.
Pulsar Bell-Burnelli i Hewisha by pierwszym odkrytym i na podstawie jego wspó rz dnych na niebie w roku otrzyma nazw PSR B + . Pierwsza gwiazda neutronowa, chocia nie by a pulsarem, zosta a rozpoznana kilka miesi cy wcze niej przez Iosifa Szk owskiego, jako obiekt b d cy ród em promieniowania rentgenowskiego Scorpius X- . Tak pisa on w kwietniu :
Przy wszystkich swoich cechach model ten, uzyskany jedynie z analizy danych z obserwacji, bez adnej hipotezy a priori o naturze ród a, odpowiada gwie dzie neutronowej w stanie akrecji. [Iosif Szk owski, On the Nature of the Source of X-Ray Emission of Sco XR- . ApJ, L , , ].
Po pracach Szk owskiego, Bell-Burnelli i Hewisha wysz y na jaw wcze niejsze obserwacje poprzedzaj ce odkrycie gwiazd neutronowych i pulsarów. Kilka lat przed PSR B + w obserwatorium Jodrell Bank zosta zaobserwowany, ale nie rozpoznany, PSR B + w gwiazdozbiorze yrafy. Jakie dziesi lat wcze niej prawdopodobnie zosta zaobserwowany pulsar Mg awicy Kraba.
Teraz wiemy, e wszystkie gwiazdy neutronowe maj do podobne rednice – oko o – km, ale ich masy mog wynosi od oko o trzech czwartych do dwóch i pó masy S o ca. Ich rednie g sto ci wahaj si zatem od oko o do kg m– , a w okolicach rodka Rozdział 5 •
fali
pierwsza Nagroda Nobla
nawet do kg m– , dla porównania j dra atomów zwykle maj g sto oko o kg m– . Grawitacja na powierzchni gwiazdy neutronowej jest wi c oko o lub razy wi ksza od grawitacji Ziemi.
Typowe ziarenko soli kuchennej (rys. . (i)) ma rozmiar oko o pó milimetra ( m), a przy powierzchni Ziemi wa y oko o g. Poniewa ci ar jest si , powinni my jako jednostek zamiast gramów lub kilogramów u ywa niutonów mno ymy zatem kilogramy przez , , aby uzyska niutony i przez , , aby uzyska funty (dodatek D), wi c t wag nale a oby poda jako , N. Ale, jak zauwa ono wcze niej, nawet zycy nie id do sklepów i nie prosz o , N ziemniaków – wi c w tej ksi ce b dziemy nadal niepoprawnie wyra a ci ar w znanych nam kilogramach lub gramach, a nast pnie umieszcza w nawiasach warto w niutonach, u ywaj c mno nika (przybli onego – przyp. red.). Na powierzchni gwiazdy neutronowej to samo ziarenko soli o ci arze g ( N) wa y oby oko o ton ( N).
Odwracaj c analogi , fragment typowej materii gwiazdy neutronowej wielko ci ziarenka soli kuchennej wa y by na Ziemi oko o tys. ton ( N), podczas gdy na powierzchni gwiazdy neutronowej wa y by znacznie ponad ton ( N).
Z ludzkiej perspektywy próba zrozumienia takich liczb jest trudna, natomiast mo e w tym nieco pomóc nast puj cy przyk ad: na gwie dzie neutronowej alpinista wa y by okoo kg ( N), wi c góra na gwie dzie neutronowej o wysoko ci zaledwie / szeroko ci ludzkiego w osa ( nm lub , – m) wymaga aby podobnego wysi ku co wspi cie si na Everest na Ziemi. Góra na gwie dzie neutronowej o wysoko ci kopczyka soli pokazanego na rysunku . (i) sama wa y aby tyle co Ksi yc na Ziemi, gdyby my byli w stanie, bardzo ostro nie i bez wielu szkód, zatrzyma i umie ci nasz Ksi yc na odpowiedniej wadze znajduj cej si na powierzchni Ziemi (rys. . (ii)). Wspinaczka górska najpewniej nie jest popularn dyscyplin w ród ma o prawdopodobnych mieszka ców powierzchni gwiazd neutronowych.
Gwiazdy neutronowe maj pola magnetyczne o nat eniu do razy wi ksze od pola ziemskiego oraz emituj we wszystkich kierunkach promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie od fal radiowych do promieni rentgenowskich. Przewa nie jednak ta emisja rozchodzi si promieni cie od ich biegunów magnetycznych, a zatem równie wzd u ich osi magnetycznych. G ówne kierunki ich emisji przybieraj zatem posta dwóch przeciwleg ych w skich wi zek wychodz cych wzd u osi magnetycznej (rys. . ).
Dodatkowo jednak gwiazdy neutronowe obracaj si z szybko ci od setek razy na sekund do mniej wi cej raz na dziesi sekund. Obecny rekordzista to PSR J - ad (w odleg o ci parseków, w gwiazdozbiorze Strzelca) o promieniu prawdopodobnie km i liczbie obrotów tys. obr./min. Jego pr dko powierzchniowa musi wynosi oko o jednej czwartej pr dko ci wiat a. Najwolniejszym obecnie znanym pulsarem jest PSR J + ( parseków od nas, w Kasjopei), którego okres obrotu wynosz cy , sekundy
