gravitacinės bangos

materialiojo žiedo dalelių poslinkis per gravitacinių bangų periodą T veikiant įvairios poliarizacijos gravitacinėms bangoms

gravitãcinės bañgos, gravitacijos lauko trikdžiai, sklindantys erdvėje šviesos greičiu (c). Gravitacines bangas skleidžia greitėjantys kūnai. A. Einsteino gravitacijos teorija nusako laisvųjų gravitacijos laukų, nesusietų su masėmis, buvimą, t. y. gravitacines bangas. Gravitacinių bangų poveikis kūnui reiškiasi jo deformacija – kūno dalių poslinkiu viena kitos atžvilgiu. Gravitacinių bangų fizika nagrinėja gravitacinių bangų generavimą, sklidimą, detektavimą. Gravitacinės bangos teoriškai nusakytos 1918 paskelbtame A. Einsteino veikale Apie gravitacines bangas (Über Gravitationwellen). Gravitacinės bangos pagal jų poveikį skirstomos į silpnąsias (tiesines) ir stipriąsias (tiesines ir netiesines). Įprastos sistemos spinduliuoja silpnąsias gravitacines bangas. Kūnų spinduliuojamų gravitacinių bangų energiją galima rasti išsprendus gravitacijos lauko Einsteino lygtis, kai žinomas kūno masės pasiskirstymas ir jo judėjimas. Tai gana sudėtingas uždavinys.

Gravitacinių bangų išskirtinė savybė yra ta, kad jas spinduliuojantis žemiausias multipolis yra kvadrupolis (elektromagnetines bangas spinduliuoja dipolis), be to, gravitacinė sąveika silpna, todėl gravitacinės bangos perneša labai mažai energijos. Pvz., gravitacinės bangos, kurią išspinduliuoja apskritimu judanti planeta, energijos srautas P = 32GΩ²M²R⁴/5c²; čia Ω – planetos kampinis greitis, M ir R – atitinkamai jos masė ir orbitos spindulys. Jupiterio Ω = 1,68·10^–8 s^–1, M = 1,9·10²⁷ kg, R = 7,78·10¹¹ m, todėl jo gravitacinės spinduliuotės energijos srautas tėra 5,3 kW. 1993 atrastas (R. A. Hulse’as ir J. H. Tayloras) dvinario pulsaro komponentų suartėjimas, per kurį kylančių gravitacinių bangų nunešama energija atitinka apskaičiuotą pagal Einsteino formulę. Daug galingesni gravitacinių bangų šaltiniai yra supernovų asimetriniai sprogimai, žvaigždžių kolapsas ir kiti. Silpnųjų gravitacinių bangų sklidimas apibūdinamas Einsteino lygtimis remiantis prielaida, kad silpnąsias gravitacines bangas atitinka tokia erdvėlaikio geometrija, kurios metrinis tenzorius yra g_µν = η_µν + h_µν; čia η_µν – Minkowskio tenzorius, h_µν – erdvėlaikio trikdžiai, sukelti gravitacinių bangų; tenzorius h_µν tenkina banginę d’Alembert’o lygtį ▯h_µν = 0; čia ▯ = 1/c²(∂²/∂t²) – ∂²/∂x² – ∂²/∂y² – ∂²/∂z² – d’Alembert’o operatorius, ir kalibravimo sąlygas, panašias į elektrodinamikos potencialų kalibravimo sąlygas.

Mažoje erdvėlaikio srityje gravitacinės bangos yra plokščios, todėl Descartes’o koordinačių sistemos ašį Ox nukreipus bangos sklidimo kryptimi, kad bangos frontas būtų plokštumoje yOz, ir panaudojus atitinkamas kalibravimo sąlygas parinktoje koordinačių sistemoje visi h_µν komponentai, išskyrus h₂₂ = –h₃₃ = h₊ ir h₂₃ = h_×, tampa lygūs nuliui. Tuo atveju gravitacinių bangų fronto yOz geometriją (bangos poliarizaciją) nusako metrinis tenzorius $h_{\mathit{ab}}=\left(\begin{array}{cc}{h}_{+}& h_x\\ h_x& -h_{+}\end{array}\right)$, a, b = 2, 3. Šioje plokštumoje atstumas tarp dviejų be galo artimų taškų, kai nėra gravitacinių bangų, lygus $\mathrm{d}{l}_0^2=\mathrm{d}{x}^2+\mathrm{d}{y}^2+\mathrm{d}{z}^2$, kai veikia gravitacinės bangos, dl² = dl²₀ + h₊(dy² – dz²) + 2h_xdxdy, todėl materialusis žiedas, veikiamas dviejų h₊ ir h_× poliarizacijos gravitacinių bangų, plokštumoje Oyz deformuojamas.

gravitacinių bangų paieškos LISA projektas; schemoje pavaizduotas didelės bazės interferometras kosmose: 3 erdvėlaiviai su specialios konstrukcijos veidrodžiais lėtai dreifuoja paskui Žemę

Gravitacinių bangų paieška pradėta 20 a. 6 dešimtmetyje. Gravitacinėms bangoms aptikti kuriami specialūs detektoriai. Jie skirstomi į rezonansinius ir lazerinius. Rezonansiniai yra strypiniai ir sferiniai (jais registruojami gravitacinių bangų sukelti masyvaus cilindro ar sferos žemadažniai mechaniniai virpesiai). Rezonansinių detektorių jautris $J\approx \frac{\mathit{QM}}{T}$; čia Q – detektoriaus antenos mechaninė kokybė, M – jos masė, T – temperatūra. Weberio detektoriaus (aprašytas ir sukurtas 1960, juo buvo atliekami matavimai) antenos temperatūriniai triukšmai kambario temperatūroje yra Δl_B ≈ 10^–15 cm eilės ir ribinė gravitacinių bangų galia, dar gebanti sužadinti anteną, Ε_grav. ≈ 10^–22 J/s. Perspektyvūs lazeriniai gravitacinių bangų detektoriai – šviesos signalo kelio optinio ilgio pokytis dėl gravitacinių bangų poveikio registruojamas didelės bazės lazeriniu interferometru. Gravitacinių bangų detektorių gamyba labai brangi, todėl juos kuriant bendradarbiaujama tarptautiniu mastu. Vykdomi įvairūs gravitacinių bangų paieškos sferiniais detektoriais projektai, pvz., GRAIL, TIGA, strypiniais detektoriais, pvz., ALLEGRO, Explorer, Nautilus, lazeriniais detektoriais – TAMA 300 (Japonija; interferometro bazė 300 m), GEO 600 (Didžioji Britanija ir Vokietija; bazė 600 m), Virgo (Prancūzija ir Italija; bazė 3 km), LIGO (Jungtinės Amerikos Valstijos; bazė 4 km), LISA (bendras Europos ir Jungtinių Amerikos Valstijų kosminis projektas; bazė 5·10⁶ km). 2015 09 14 LIGO aptiko gravitacines bangas (šio projekto kūrėjams R. Weissui, K. S. Thorneʼui ir B. C. Barishui 2017 skirta Nobelio fizikos premija). 2017 surasti jau keturi gravitacinių bangų signalai. Pirmi trys atsklido iš besijungiančių juodųjų skylių porų, dar vienas – iš neutroninių žvaigždžių poros. Šie atradimai įrodė, kad juodosios skylės, 15–50 kartų masyvesnės už Saulę, egzistuoja bei patvirtino bendrąją reliatyvumo teoriją.

L: K. Pyragas, K. Svirskas Erdvėlaikio ir gravitacijos teorija 2 d. Vilnius 1998; K. Pyragas Gravitacinės bangos Vilnius 2000; C. W. Misner, K. S. Thorne, J. A. Wheeler Gravitation San Francisco 1973.

1257