Hvað eru þyngdarbylgjur?

Nafn þitt

Netfang þitt

Netfang móttakanda

Ruslpóstvörn =

Svar

Hvað eru þyngdarbylgjur?
Þyngdargeislun eða þyngdarbylgjur eru bylgjur í þyngdarsviði massamikilla hluta, hliðstæðar rafsegulbylgjum. Til eru lausnir á jöfnum almennu afstæðiskenningarinnar sem lýsa bylgjunum en vísindamönnum hefur ekki tekist að nema þyngdarbylgjur.

Eftir að Isaac Newton setti fram sínar hugmyndir um eðli þyngdarinnar tóku allar markverðar vangaveltur um þyngdarfræði mið af þeirri kenningu. Þó var það eitt sem angraði menn mjög. Í þyngdarfræði Newtons gætir þyngdarhrifa samstundis í öllu rúminu og af því leiðir að líta verður svo á að þyngdarhrif berist með óendanlegum hraða. Slík fjarverkun þótti bagaleg því það bryti í bága við orsakalögmálið.

Mynd sem sýnir þegar tvö svarthol renna saman í eitt og senda frá sér þyngdarbylgjur.

Það var ekki fyrr en árið 1916 að Einstein skaut traustum kennilegum stoðum undir tilvist þyngdarbylgna. Þær eru gárur í sveigðu rúmi og ferðast með ljóshraða. Með kenningunni rökstuddi hann að þyngdarbylgjur bæru orku frá lindinni. Bylgjurnar væru þrátt fyrir það mjög veikar og víxlverkuðu illa við efni.

Þegar steinn fellur í vatn, aflagar hann yfirborð þess. Hann ryður undan sér vatni og breytir vatnshæðinni. Þessar breytingar breiðast út yfir vatnsflötinn sem gárur eða bylgjur. Hægt er að hugsa sér vatnsborðið sem þyngdarsvið massamikillar sólstjörnu. Þyngdarsviðið mótast af lögun og massaþéttleika stjörnunnar. Ímyndum okkur að á tilteknu augnabliki aflagist stjarnan – hún fari að sveiflast, svo þyngdarsviðið umhverfis hana breytist. Almenna afstæðiskenningin segir til um að þessar breytingar breiðist út í rúmið með endanlegum hraða jöfnum c, hraða ljóssins. Líkt og á vatnsfletinum, verða til gárur í þyngdarsviðinu sem geta borið orku frá þyngdarlindinni, það er stjörnunni.

Þyngdarbylgja bjagar tímarúmið líkt og gárur á vatni.

Árið 1974 sannfærði stjarneðlisfræðingurinn Joseph Taylor og eðlisfræðingurinn Russel Hulse flesta úrtölumenn um tilvist þyngdargeislunar. Þeir gerðu mælingar á tifstjörnunni PSR1913+16 og sýndu að hún ferðast á braut um aðra nifteindastjörnu. Þetta var fyrsta tifstjarnan sem fannst í slíku kerfi. Umferðartími hennar er gríðarlega skammur, rétt um átta klukkustundir. Enn markverðara þótti þeim að mæla breytingar á umferðartímanum. Hann styttist sem nam Δt = [2,4349 ± 0.010]·10^–12 s á hverri sekúndu. Smám saman nálgast hnettirnir hvor annan og orka tapast úr kerfinu.

Enn sem komið er hefur mönnum þó ekki tekist að nema þyngdargeislun með beinum hætti. Á síðustu árum hefur mælitækni fleygt fram. Nú binda menn helst vonir við að svokallaðir víxlunarnemar muni reynast best við mælingar á þyngdarbylgjum. LIGO (e. Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) er stærsta rannsóknarverkefnið í heiminum í dag sem fæst við þessi efni. Í verkefninu eru tvær mælistöðvar, ein í Louisiana og hin í Washingtonfylki í Bandaríkjunum. Stöðvarnar eru stórir víxlunarmælar. Armar LIGO í Louisiana eru hvor um sig 4 km að lengd, en öllu styttri eða 2 km í Washington. Stærðin skiptir máli í þessu samhengi, því auðveldara er að magna upp merki í stóru tæki en litlu. LIGO ætti að geta numið sveifluvídd bylgju af stærðargráðunni 10^–21 m sem samsvarar spegilfærslu upp á 10^–18 m, um þúsund sinnum minna en stærð atómkjarna.

Um nokkurt skeið hefur annað mælitæki verið á teikniborðinu, LISA (e. Laser Interferometer Space Antenna) sem á að senda út í geim fjarri öllum truflunum. LISA samanstendur af þremur gervitunglum sem mynda þríhyrning í geimnum. Mælarnir í LISA byggja á svipaðri víxlmælitækni og LIGO. Armar þríhyrningsins eru hver um 5 milljón kílómetrar að lengd.

Frekara lesefni á Vísindavefnum:

• Hversu hratt breiðast áhrif þyngdarafls út? eftir Kristján Rúnar Kristjánsson
• Hvernig „verkar“ afstæðiskenning Einsteins? Hvernig getur hún útskýrt betur hvað er að gerast í alheiminum? eftir Þorstein Vilhjálmsson

Myndir:

• Þyngdargeislun, grein á Stjörnufræðivefnum.

Þetta svar birtist áður á Stjörnufræðivefnum og er birt hér í styttri mynd með góðfúslegu leyfi.

...