Gravitacijsko valovanje

V kratkem: odgovor je da, vsaj teoretično, čeprav nedvoumnih eksperimentalnih potrditev gravitacijskih valov kljub polstoletnim poskusom še ni. Einsteinova splošna teorija relativnosti in njene ekstenzije namreč vse napovedujejo obstoj gravitacijskih valov, ki jih oddajajo masivna telesa ob pospeševanju. Tako kot nabit delec, ki ga pospešujemo, oddaja elektromagnetno valovanje, naj bi namreč tudi pospešeno masivno telo oddajalo gravitacijske valove. Kljub temu, da sta si elektromagnetno in gravitacijsko valovanje v mnogočem podobni (obe se na primer širita s hitrostjo svetlobe 299792458 m/s), pa je med njima tudi veliko razlik.

Medtem ko je elektromagnetno valovanje nihanje elektromagnetnega polja, je gravitacijsko valovanje spreminjanje lokalne ukrivljenosti prostora. Masivno telo namreč ukrivi prostor okoli sebe. Če se to telo premika, se to pozna tudi na strukturi prostora-časa. Če telo zaniha okoli svoje mirovne lege, se od njega širijo motnje v ukrivljenosti prostora, tako kot se po vodni gladini širijo valovi, če v vodo pomočimo prst. Poleg tega je celoten opis zaradi nelinearnih enačb splošne teorije relativnosti precej bolj zamotan kot v primeru Maxwellove elektrodinamike. Preprosteje povedano: če je energija, ki jo nosi gravitacijsko valovanje veliko, je gravitacijsko polje v interakciji s samim sabo. Energija, ki jo nosi gravitacijsko polje namreč vpliva na obliko samega gravitacijskega polja.

V primeru šibkih gravitacijskih polj pa so enačbe gravitacijskega valovanja povsem analogne enačbam elektromagnetnega valovanja. Ker pri kvantizaciji elektromagnetnega polja (kvantna elektrodinamika) dobimo brezmasne kvante polja – fotone, lahko od tu sklepamo da bodo v kvantni sliki gravitacije nastopali podobni brezmasni kvanti gravitacijskega polja – gravitoni. Seveda še vedno ostane nekaj razlik, tako so na primer fotoni delci s spinom (notranjo vrtilno količino) 1, medtem ko imajo gravitoni spin 2. Kot se morda zdi ta razlika na prvi pogled majhna, pa ravno tu tiči razlog, da kvantne teorije gravitacije še ni uspelo dokončno formulirati. Če postopamo podobno kot pri kvantizaciji elektromagnetnega polja, namreč naletimo pri izračunu opazljivk na neskončnosti. To samo po sebi še ni nič hudega, saj jih srečamo tudi v kvantni elektrodinamiki. Ker pa imajo gravitoni spin 2, se tih neskončnosti ne moremo znebiti na enak način kot v kvatni elektrodinamiki, kjer s postopkom renormalizacije neskončnosti pometemo pod preprogo- na novo definiramo parametre teorije kot so osnovni naboj, masa elektrona in podobno. V enostavni kvantizaciji gravitacije se neskončnosti na ta način ne moremo znebiti- teorija je nerenormalizabilna. Ena od mogočih rešitev je, da delcev ne obravnavamo več kot točkaste objekte, tega pristopa se na primer poslužuje teorija strun.

In kako to, da gravitacijskih valov še nismo opazili, kljub temu, da jih napoveduje tako uspešna teorija kot je splošna teorija relativnosti? Pravzaprav posredni dokaz za obstoj gravitacijskih valov že imamo. Najprepričljivejši dokaz za obstoj gravitacijskih valov do danes predstavljajo sistemi binarnih zvezd. Če na primer dve nevtronski zvezdi hitro krožita okoli skupnega težišča oddajata gravitacijske valove. S tem oddajata energijo, perioda vrtenja se zmanjšuje. Poleg tega tovrsten binaren sistem oddaja tudi usmerjen ozek stožec radijskih valov, ki jih na Zemlji opazimo kot pulze (od tod tudi ime pulzarji). Opazovanja zmanjševanja period pulzarjev se do natančnosti enega procenta ujemajo z napovedmi splošne teorije relativnosti.

Eksperiment LIGO.

Seveda pa bi bilo potrebno obstoj gravitacijskih valov še nedvoumno potrditi z eksperimenti na Zemlji. Problem pri detekciji gravitacijskih valov je, da so izvori gravitacijski valov navadno izredno šibki. Kot smo že zapisali je sicer vir gravitacijski valov vsako pospešeno masivno telo, torej tudi vi ali jaz, le da je na ta način oddana energija izredno majhna. Zaradi trkov med molekulami plina v soncu tako celotno sonce oddaja le okoli 100 MW energijskega toka v obliki gravitacijskih valov. To je šestkrat manj kot proizvaja jedrska elektrarna v Krškem električne moči! In nasproti ji stoji celotno sonce! Drugi problem je, da je signal zakrit z močnim termičnim šumom, ki lahko dosega tudi faktor 10^-34. Eksperimenti navadno merijo oscilacije, ki bi jih lahko gravitacijski valovi zapustili v nekaj deset metrov velikih masivnih blokih, ali pa zelo natančno merijo spremembe razdalj med predmeti. Spremembe razdalj bi namreč prav tako lahko bile posledica gravitacijskih valov. Trenutno najbolj občutljiv je detektor LIGO, ki je sestavljen iz dveh ločenih detektorjev, enega na zahodni obali ZDA, drugega v Louisianni. Pri vsakem od njiju merijo prek interference pri razdaljah 4km premike reda 10^-18m (tisočinko premera protona – opomba za fizike, tu ni problemov s principom nedoločenosti, natančnost je statistično povprečje). V naslednjem bo vzniknilo kar nekaj podobnih detektorjev tudi v Evropi in na Japonskem, ESA in NASA pa načrtujeta tudi morebiten detektor po letu 2009 v vesolju, čeprav projekt še ni potrjen. Z odkritjem gravitacijskih valov ne bi le dobili nove potrditve splošne teorije relativnosti, pač pa bi dobili povsem novo orodje za opazovanje vesolja. Gravitacijski teleskopi bi bili le korak stran.

Zanimive strani v povezavi z gravitacijskimi valovi:

• pojasnilo gravitacijskih valov, povezave na strani eksperimentov
• zgodovina poskusov z gravitacijskimi valovi
• opis eksperimenta LIGO

(Jure Zupan)

-