Gravitační vlny mají některé vlastnosti podobné světlu. Pohybují se stejnou rychlostí ve vakuu – as určitou frekvencí a amplitudou. Od světla se liší tím, že nejsou rozptýleny nebo pohlceny hmotou, jako je tomu u světla.
Je tedy pravděpodobné, že prvotní gravitační vlny, o kterých se spekuluje, že byly vytvořeny Velkým třeskem, stále čekají na detekci a analýzu.
Gravitační vlny byly nepřímo detekovány prostřednictvím pozorování pulsaru PSR 1913+16 , člen binárního systému, jehož dráha se rozpadá rychlostí přibližně tři milimetry na dráhu. Inspiraci dvojhvězdy (tj. rozpad její dráhy) lze vysvětlit pouze neviditelnou ztrátou energie, o níž předpokládáme, že je důsledkem gravitačních vln transportujících energii pryč ze systému.
Přímé pozorování gravitačních vln nám v současnosti uniká – ale zdá se být přinejmenším proveditelné sledováním vyrovnání široce oddělených testovacích hmot. Takové monitorovací systémy jsou v současné době na Zemi, včetně LIGO , který má testovací hmoty oddělené až čtyřmi kilometry – tato vzdálenost je monitorována lasery navrženými tak, aby detekovaly drobné změny v této vzdálenosti, které by mohly být důsledkem průchodu gravitační vlny iniciované ze vzdáleného bodu ve vesmíru.
Průchod gravitační vlny by se měl natáhnout a stáhnout Zemi. Není tomu tak proto, že by narazil na Zemi a předal jí kinetickou energii – jako oceánská vlna dopadající na pevninu. Místo toho má Země – která sedí v časoprostoru – svou geometrii změněnou tak, aby se i nadále přizpůsobovala dočasně nataženému a poté smrštěnému časoprostoru, ve kterém sedí, když prochází gravitační vlna.
Instalace laserového interferometru Gravitational-Wave Observatory (LIGO) Hanford. Když mluvíte o astronomii gravitačních vln, velká je dobrá. Kredit: Caltech.
Předpokládá se, že gravitační vlny nejsou ovlivněny interakcí s hmotou a pohybují se rychlostí světla ve vakuu bez ohledu na to, zda se samy ve vakuu nacházejí. Ztrácejí amplitudu (výšku vlny) se vzdáleností, ale pouze prostřednictvím útlumu. Je to podobné, jako když vodní vlna vycházející z místa dopadu oblázku vhozeného do rybníka ztrácí amplitudu úměrně druhé mocnině poloměru rostoucího kruhu, který tvoří.
Gravitační vlny mohou také klesat ve frekvenci (tj. zvyšovat vlnovou délku) na velmi velké vzdálenosti v důsledku expanze vesmíru – v podstatě stejným způsobem, jako je vlnová délka světla posunuta do červena expanzí vesmíru.
Vzhledem k tomu všemu extrémně malé efekty, které se očekávají od gravitačních vln, které mohou běžně procházet kolem Země, vytvářejí podstatnou výzvu pro detekci a měření – protože tyto nepatrné časoprostorové fluktuace musí být odlišeny od jakéhokoli hluku pozadí.
Hlukové pozadí pro LIGO zahrnuje seismický hluk (tj. vlastní pohyby Země), hluk přístroje (tj. změny teploty, které ovlivňují seřízení detekčního zařízení) a šum na kvantové úrovni, také známý jako Johnson-Nyquistův hluk – který vyplývá z kvantová neurčitost pozic fotonů.
Kip Thorne , jedno z velkých jmen v teorii a výzkumu gravitačních vln, zjevně vyžehlil tento poslední a možná nejobtížnější účinek aplikací množství nebourání principy – které umožňují měřit něco, aniž by se to zničilo, nebo aniž by se zhroutila jeho vlnová funkce.
Nicméně potřeba použití kvantových nedemolačních principů je určitým náznakem mimořádně slabé povahy gravitačních vln – které mají obecně slabou sílu signálu (tj. malou amplitudu) a nízkou frekvenci (tj. dlouhé, ve skutečnostivelmi dlouhá, vlnová délka).
Tam, kde může mít viditelné světlo 390 nanometrů a rádiové světlo může mít vlnovou délku 3 metry – gravitační vlny jsou řádově více než 300 kilometrů pro průměrný výbuch supernovy, až 300 000 kilometrů pro inspirující se binární černou díru a možná až 3 miliardy světla let pro prvotní ozvěny Velkého třesku.
Existuje tedy férový způsob, jak s tím vším jít na technologické úrovni – ačkoli zastánci (jak se zastánci chtějí) říkají, že jsme na pokraji našeho prvního potvrzeného pozorování gravitační vlny – nebo jinak počítají s tím, že jsme již shromáždili data, ale ještě úplně nevím, jak je interpretovat.
Toto je aktuální pátrání uživatelů občanské vědy [e-mail chráněný] – třetí nejoblíbenější BOINC distribuovaný výpočetní projekt po [e-mail chráněný] (zaznamenat mimozemšťana) a [e-mail chráněný] (složit protein).
Tento článek navazuje na veřejnou přednášku Kip Thorna na Australské národní univerzitě v červenci 2011 – kde diskutoval o plánech LIGO Austrálie a také animované simulace srážek černých děr popsané v článku níže – které mohou poskytnout šablony pro interpretaci křivek, které budou v budoucnu detekovány observatořemi gravitačních vln.
Další čtení:Owen a spol (včetně Thorne, K.) Víry a přílivové vlny připojené ke kolidujícím černým dírám: Vizualizace zakřivení časoprostoru .