გრავიტაციულ ტალღებს სამყაროს ბევრი საიდუმლოს ამოხსნა შეუძლია

 პირველი აღმოჩენიდან – დღემდე: მკვლევარები ახალი სამეცნიერო მწვერვალების დასაპყრობად ემზადებიან

 1980-იან წლებში ბერნარდ შუცმა ასტრონომიის ერთ-ერთი უძველესი პრობლემის გადაჭრის გზები შემოგვთავაზა – როგორ განვსაზღვროთ დედამიწასა და შორეულ კოსმოსურ ობიექტებს შორის არსებული უზარმაზარი მანძილები დიდი სიზუსტით? ასტროფიზიკოსთა მთელი თაობები ამ ობიექტების ფარდობით სიკაშკაშეზე დაყრდნობით ზომავდა მათ, რადგან, უამრავი სირთულის მიუხედავად, უკეთესი მეთოდი არ არსებობდა; მაგალითისთვის, მკრთალი ვარსკვლავი, სიახლოვის გამო, ისეთივე სიკაშკაშით შეიძლება ხასიათდებოდეს, როგორითაც დიდი ნათობის მქონე, მაგრამ  შორეული ვარსკვლავი.

 ბრიტანეთის კარდიფის უნივერსიტეტის ფიზიკოსი, შუცი, იყო პირველი, რომელმაც ივარაუდა, რომ კოსმოსური მანძილების ზუსტად განსაზღვრა ე.წ. გრავიტაციული ტალღების დახმარებით იყო შესაძლებელი, რომლებიც ორი კოსმოსური ობიექტის შერწყმით წარმოიქმნება; თუ რაიმე სახის დეტექტორი სივრცე-დროის ამ შეშფოთებების აღრიცხვას და ჩაწერას მოახდენდა, მეცნიერები იოლად განსაზღვრავდნენ არა მარტო ამ სიგნალების სიმძლავრეს, არამედ იმ მანძილსაც, რაც ამ ტალღებმა წყაროდან დედამიწამდე გამოიარა. ამგვარად, ივარაუდეს, რომ გრავიტაციული ტალღების მეშვეობით, სამყაროს გაფართოების სიჩქარის განსაზღვრაც გაცილებით უფრო დიდი სიზუსტით მოხდებოდა. იმ დროისთვის ეს შესანიშნავი, მაგრამ არაპრაქტიკული იდეა იყო, რადგან გრავიტაციული ტალღების დაფიქსირების არანაირი საშუალება არ არსებობდა. მაგრამ შუცს დიდხანს ლოდინი არ მოუწია – ზუსტად რამდენიმე წელიწადში რასელ ჰალსმა და ჯოზეფ ტეილორმა აჩვენეს, რომ 130 მილიონი წლის წინათ ორი ნეიტრონული ვარსკვლავის შერწყმის შედეგად წარმოქმნილი, თანდათანობით მილევადი ენერგეტიკული იმპულსები ნამდვილად გრავიტაციული ტალღები იყო. აღრიცხვა მოხდა ტექნიკის მეშვეობით, რომელიც ცნობილია, როგორც ინტერფერომეტრია. ეს იყო გრავიტაციული ტალღების დეტექტირების დასაწყისი.

გრავიტაციული ტალღები და კოსმოლოგიის ფუნდამენტური საკითხები

 რაც მეტი წყვილი კოსმოსური ობიექტის გაერთიანების მოწმე გავხდებით, მით უფრო დიდი იქნება მეცნიერების მიერ გადაჭრილი კოსმოლოგიური საკითხების საიმედოობის ხარისხი. ისიც უნდა აღინიშნოს, რომ კოსმოლოგია მხოლოდ ერთ-ერთია ასტროფიზიკის ბევრი მიმართულებიდან, რომლებიც გრავიტაციული ტალღებით მიღებული ინფორმაციით ისარგებლებენ: ახალი მონაცემები დაგროვდება შავი ხვრელების წარმოქმნის მექანიზმების, ნეიტრონული ვარსკვლავების შიდა სტრუქტურების, აინშტაინის ფარდობითობის თეორიასა და სიმების თეორიას შორის კავშირის, გალაქტიკების კლასიფიკაციის და სხვა ბევრი საკითხის შესახებ.

 1960-იან წლებში ინტერფერომეტრიის მეთოდის შემოღების შემდეგ,  გრავიტაციული ტალღების დაფიქსირების მიზნით, მსოფლიოში რამდენიმე კომპლექსური აპარატი აიგო: ლაზერული ინტერფერომეტრიის გრავიტაციული ტალღების ობსერვატორია (LIGO) აშშ-ში, ობსერვატორია Virgo ქალაქ პიზას ახლოს, იტალიაში და ასეთივე დეტექტორი იაპონიაში, რომელიც 2020 წელს ამუშავდა. ყველა ამ ხელსაწყოს მუშაობის ეფექტურობა მნიშვნელოვნად მოიმატებს მას შემდეგ, რაც მსგავსი ინტერფერომეტრები კოსმოსში, ორბიტაზე დაიწყებენ ფუნქციონირებას.

ბზრიალა ობიექტები

 90-იან წლებში ნეიტრონული ვარსკვლავების პირველი ბზრიალა წყვილის აღმოჩენის შემდეგ LIGO-მ შავი ხვრელების შერწყმის 5 შემთხვევა აღრიცხა (იხ. ლურჯი სქემა –  ”ტალღების წარმოქმნა”). ამჯერად მკვლევარებს მსგავსი კოსმოსური ბზრიალა წყვილების წარმოშობის მექანიზმები აინტერესებთ. ცნობილია, რომ შავი ხვრელი მასიური ვარსკვლავის მიერ ბირთვში საწვავის გამოლევის და კოლაფსის შედეგად წარმოიქმნება, რასაც წინ უძღვის ზეახალის აფეთქება. მსგავსი პროცესის შედეგად წარმოქმნილი ხვრელი რამდენიმე ათეული მზის მასისაა. ამიტომ უაღრესად საინტერესოა, არის თუ არა ეს ორჯერადი ვარსკლავის საერთო ევოლუცია თუ ცალკეული ვარსკვლავების შემთხვევითი გაერთიანება; ან, იქნებ, გალაქტიკების შერწყმა?

 მართლაც, აქ ორი ძირითადი ჰიპოთეზა ლიდერობს: 1. ორი მასიური ვარსკვლავი თავიდანვე ჯერადი სისტემის ნაწილია და შავი ხვრელის ფაზამდე ისინი ერთნაირ ევოლუციურ პროცესებს გადიან. ამ შემთხვევაში საინტერესოა, როგორ ხდება, რომ ისინი ზეახლად აფეთქების შემდეგაც ერთ გრავიტაციულ ველში რჩებიან; 2. მსხვილ ვარსკვლავიერ გროვებში მიმდინარე პროცესების შედეგად მასიური შავი ხვრელები ერთმანეთთან მიიზიდება, ხოლო მოვლენათა ჰორიზონტების გავლენით ისინი ერთმანეთის გარშემო იწყებენ ბზრიალს (ამ თეორიაში საინტერესო ის არის, რომ, როგორც წესი, შავი ხვრელები უძრავია).

 ასეა თუ ისე, ამ ორი ობიექტის შერწყმის შედეგად უძლიერესი გრავიტაციული ტალღები წარმოიქმნება. აპარატების მიერ დაფიქსირებულ იმპულსებზეც კარგად ჩანს, რომ მიახლოებასთან ერთად ობიექტების ბრუნვის სიჩქარე დრამატულად იზრდება, ხოლო ორჯერ უფრო მასიურ ობიექტად გაერთიანების მომენტიდან გრავიტაციული ტალღების სიჩქარე მკვეთრად იკლებს და საბოლოოდ – ქრება. ბრიტანეთის ბირმინგჰემის უნივერსიტეტის თეორიული ასტროფიზიკის პროფესორი, ილია მანდელი, ანიშნავს, რომ LIGO და Virgo ინტერფერომეტრებს მხოლოდ იმ წყვილების გაერთიანების აღრიცხვა შეუძლიათ, სადაც კომპონენტები ერთმანეთისგან უკვე მხოლოდ 3-4  მილიონი კილომეტრით არიან დაშორებული, რაც მზესა და დედამიწას შორის არსებული საშუალო მანძილის დაახლოებით მეოთხედია: ”გამოთვლები გვიჩვენებს, რომ თუ შავი ხვრელები ერთმანეთისგან ამ მანძილზე უფრო შორს არიან, მათ გაერთიანებას სამყაროს ამჟამინდელ ასაკზე მეტი დრო დასჭირდება.” – ამბობს მანდელი (რაც პირველი ჰიპოთეზის – წყვილთა საერთო წარმოშობის სასარგებლოდ მეტყველებს).

 თუმცა, შავი ხვრელების წყვილის გაერთიანების მხოლოდ 5 დაფიქსირებული შემთხვევა მაინც არ არის სტატისტიკურად საკმარისი, რომ რომელიმე ჰიპოთეზის სასარგებლოდ დარწმუნებით ვისაუბროთ. მანდელთან ერთად, მისი კოლეგა და LIGO-ს სამეცნიერო ჯგუფის კიდევ ერთი წევრი – უილ ფარიც მიიჩნევს, რომ შავი ხვრელების წარმოშობის გარკვევას კიდევ უფრო მეტი დეტალის ცოდნა სჭირდება, ხოლო სტატისტიკური საიმედოობისთვის დამატებით ორი ათეული წყვილის გაერთიანების პროცესის დაფიქსირება უნდა მოხდეს. მაგალითისთვის, საჭიროა ვიცოდეთ, როგორია ამ წყვილში თითოეული შავი ხვრელის ღერძის გარშემო ბრუნვის თავისებურებები. საერთო წარმოშობის შავ ხვრელებს მსგავსი მასები, ბრუნვის ღერძის ერთნაირი დახრილობა, ბრუნვის მიმართულება (სპინი) და სიჩქარე უნდა ჰქონდეთ. შემთხვევით გაერთიანებულ წევრებს კი საპირისპირო მახასიათებლები ექნებათ.

 ”ჩვენ დღესაც არ ვართ დარწმუნებული, რომ შავი ხვრელის უმცირესი და უდიდესი შესაძლო მასები დიდი სიზუსტითაა განსაზღვრული. მსგავსი წყვილების კვლევის დროს შეიძლება არასტანდარტულად მცირე ზომის ობიექტებსაც კი გადავაწყდეთ.” – აღნიშნავს ვიკი კალოგერა, LIGO-ს გუნდის კიდევ ერთი წევრი, ასტროფიზიკოსი, ილინოისის შტატის ქალაქ ევანსონის უნივერსიტეტის პროფესორი. – “თუმცა, რასაც აქამდე ვაკვირდებით, მცირე ზომის ზეახალი ვარსკვლავების აფეთქების შედეგად ყოველთვის ნეიტრონული ვარსკვლავი რჩება და არა შავი ხვრელი, გამონაკლისის გარეშე. ახლა კი, დიდ მასებზე ვისაუბროთ – მზის მასაზე 50-ჯერ და მეტჯერ მასიური ზეახალის აფეთქება იმდენად ძლიერია, რომ შედეგად შავი ხვრელიც კი არ რჩება – ასეთი ვარსკვლავების გულში უზარმაზარი წნევები ანტიმატერიას წარმოშობს, რაც ვარსკვლავის მატერიათან ანიჰილაციას იწვევს და მის ნარჩენებს სრულიად ანადგურებს; ასეა თეორიაში. და თუ მსგავსი ობიექტების არსებობა რეალურად შესაძლებელია, ისინი კოსმოსურ წყვილებში უნდა ვეძებოთ.”

ნადირობა შავ ხვრელებზე.. დედამიწის ზომის ტელესკოპით

 ქემბრიჯში მდებარე მასაჩუსეთსის ტექნოლოგიის ინსტიტუტის ფიზიკის პროფესორი და LIGO-ს ერთ-ერთი მთავარი დიზაინერი, რაინეს ვაისი აღნიშნავს, რომ  შავი ხვრელების სამყაროს რუკაზე დატანით სამყაროს რუკას დამატებითი განზომილება შეემატება. – ”ეს ასტროფიზიკას განუზომელ სარგებლობას მოუტანს!” – აცხადებს ის.

 ახალი დაკვირვებების დაწყებამდე LIGO და Virgo სამეცნიერო ჯგუფები აპირებენ მნიშვნელოვნად გაზარდონ ხელსაწყოების მგრძნობელობა, რის შედეგად მასიურ ვარსკვლავთა გაერთიანების არა მარტო მეტი მოვლენა, არამედ მეტი სირღმისეული დეტალიც გამოვლინდება. მათ შორის, ერთ-ერთი ყველაზე საინტერესო საკითხია იმ გრავიტაციული ტალღების დეტალების ურთიერთტრანზაქციის (შეერთება, რეფრაქცია, დიფრაქცია) შესწავლა, რომლებიც შავი ხვრელების მიახლოების, მოვლენათა ჰორიზონტების კვეთის, დეფორმირების და ისევ ერთიან სფერულ ობიექტად ფორმირებისას წარმოიქმნება; მეცნიერები ვარაუდობენ, რომ თუ ფარდობითობის თეორიაში ”ბზარები” არსებობს, ამ მოვლენების დაწვრილებით შესწავლის შემთხვევაში ეს აუცილებლად გამოვლინდება.

 არანაკლებ მნიშვნელოვანია, დაკვირვება მთელი პლანეტის მასშტაბით მიმდინარეობდეს – 2020 წელს მუშაობას შეუდგა KAGRA, იაპონიის მიწისქვეშა დეტექტორი. მისი ადგილმდებარეობა და ორიენტაცია LIGO-სა და Virgo-სთან სრულ ჰარმონიაშია, რაც გრავიტაციული ტალღების პოლარიზაციის განსაზღვრის საშუალებას გვაძლევს; პოლარიზაციით კი ხდება ობიექტების ორბიტების სიბრტყის ორიენტაციისა და სპინის (ბრუნვის მიმართულება, ბრუნვის წარმოსახვითი ღერძის დახრილობა ორბიტის სიბრტყის მიმართ) გამოთვლა. 2030 წელს ყველა ამ ობიეტს ინდოეთში აშენებული გრავიტაციული ობსერვატორია მიუერთდება, რომელიც LIGO-ს ანალოგია.

 2017 წლის აგვისტოში ნეიტრონული ვარსკვლავების წყვილის GW170817 შეერთების შესწავლამ ნათელი მოჰფინა ისეთ მნიშვნელოვან საკითხებს, როგორიცაა ოქროს და სხვა მძიმე ელემენტების სინთეზის მექანიზმები კოსმოსში; უამრავი დეტალი გამოვლინდა γ-გამოსხივების აფეთქებებთან დაკავშირებით. ნეიტრონულ ვარსკვლავთა წყვილების გაერთიანებაზე შემდგომი დაკვირვებებით იმ ნივთიერების თვისებების გარკვევას შეეცდებიან, რომლისგანაც მათი ზემკვრივი ბირთვები შედგება – მაინც, რა არის ის კრიტიკული სიმკვრივე, რომელიც მატერიის შავ ხვრელად გარდაქმნას განაპირობებს? არსებობს თუ არა რაიმე სახის გარდამავალი მდგომარეობა ვარსკვლავის ამ ორ ფორმას შორის? ზოგიერთი თეორიის მიხედვით, სწორედ ესაა კვარკებისაგან შემდგარი უცნობი, ზეგამტარი მატერია, რომელიც აღმატებით თხევად მდგომარეობაში იმყოფება (კვარკი – პროტონებისა და ნეიტრონების შემადგენელი სუბატომური ნაწილაკები). ზოგიერთი მოსაზრებით ეს ”სუპერფლუიდი” ნივთიერება ვარსკვლავის ცენტრში შეიძლება ”ანტიმატერიაში” გადადიოდეს.

კოსმოსური გრავიტაციული ობსერვატორია

 2030-იან წლებში ორბიტაზე გავა ლაზერული ინტერფერომეტრული კოსმოსური ანტენა – LISA  (Laser Interferometer Space Antenna). LISA კოსმოსური ზონდების სამეულია, და მგრძნობიარეა ისეთი დაბალი სიხშირის ტალღების მიმართ, რომლებსაც დედამიწაზე ვერცერთი ხელსაწყო ვერ დააფიქსირებს. მოსალოდნელია, რომ ეს სისტემა გაცილებით უფრო მასიურ წყვილებს ”მოუსმენს”, რომლებიც თავიანთ უმძლავრეს გრავიტაციულ ტალღებს ძალიან დაბალი სიხშირის დიაპაზონში ავრცელებენ. თუმცა, ყველაზე უფრო შესანიშნავი ალბათ იმ გრავიტაციული ტალღების დაფიქსირება იქნება, რომლებიც დიდი აფეთქების ”კიდეებიდან” მოემართებიან, რომელსაც ჩვენ რელიქტურ გამოსხივებას ვუწოდებთ. თუ LISA ამ ტალღების აღრიცხვას მოახერხებს, კოსმოლოგიაში მოღვაწე მეცნიერები ბნელი ენერგიის და კოსმოსის გაფართოების საიდუმლოებებსაც ჩასწვდებიან.

 ხმელეთზე განთავსებული ობსერვატორიებისგან განსხვავებით, LISA-ს ”კოსმოსური კაკაფონიის” მოსმენა მოუწევს: ეს იქნება ჩვენი გალაქტიკისათვის საკმაოდ ტიპიური თეთრი ჯუჯების წყვილების ”გუნდში” სიმღერა (ჩვენი გალაქტიკისთვის დამახასიათებელი იყო და არის მზის მსგავსი ვარსკვლავები, რომელთა ევოლუციის ბუნებრივი ”ნარჩენიც” არის თეთრი ჯუჯა); ამასთან, LISA შავი ხვრელების წყვილების შეერთებასაც ”გაიგონებს”, მაგრამ გაცილებით უფრო დიდი რაოდენობით, ვიდრე LIGO; ის დააფიქსირებს გალაქტიკების შეერთების ტალღებსაც, და ერთმანეთს შეადარებს გალაქტიკის ცენტრში მდებარე და მარტოხელა შავი ხვრელების წყვილების გაერთიანების თავისებურებებს. LISA პულსარების კვლევის პროცესშიც ჩაერთვება, და შეუერთდება ავსტრალიაში, ევროპაში, ჩრდილოეთ ამერიკასა და ჩინეთში განთავსებულ ”პულსართმრიცხველთა” გუნდს.

 კოსმოსური გრავიტაციული ობსერვატორიის მიერ გადმოცემულ ინფორმაციას ელოდება ევროპაში მდებარე ”აინშტაინის ტელესკოპი” – ეს არის 10 კმ რადიუსის მქონე გრავიტაციული ტალღების დეტექტორი, რომელიც მიწის ქვეშ, 100 მეტრ სიღრმეზეა განთავსებული. ეს არის ადგილი, სადაც ადამიანების მიერ გამოწვეული ვერანაირი ტექნოგენური ხმაური ვეღარ აღწევს. ამ ობსერვატორიას ძალიან სპეციფიური ამოცანები აქვს დასახული: აინშტაინის ტელესკოპი ”მოუსმენს” ორჯერად ვარსკვლავებს, რომელთაგან ერთ-ერთი ზეახალ (სუპერნოვა) ვარსკვლავად იქცა და მთელი სისტემის გრავიტაციული სტაბილურობა შეარყია. რაც შეეხება შავ ხვრელთა წყვილებს, აქ მხოლოდ იმ სისტემებს შეისწავლიან, რომელთა კომპონენტების მასები მზის 100 მასას აღემატება.

 და ისევ, ყველაზე დიდი წარმატება კოსმოსური მიკროტალღური ფონის ხმაურის დაფიქსირება იქნებოდა, რომელიც დიდი აფეთქების შედეგად შემორჩა: გამოთვლები აჩვენებს, რომ სამყაროს წარმოქმნის პირველ წამებში ელექტრომაგნიტური და ბირთვული გამოსხივება ერთმანეთს გამოეყო, რაც, სავარაუდოდ, ძალიან დამახასიათებელი სიხშირეების მქონე გრავიტაციულ ტალღებს წარმოქმნიდა. ეს ჰიპოთეზური სიგნალი LISA-მ ისეთივე ”სისინის” მსგავსი სიხშირეებით უნდა დააფიქსიროს, როგორითაც მას ჩვენი მიმღები ხელსაწყოები (ტელევიზორი თუ რადიო) აღიქვამენ.

ჟურნალი Nature 556, 164-168 (2018); განახლებულია 2021 წლის 28 ნოემბერს.