Care este viteza gravitației?

Dintre toate forțele fundamentale cunoscute de omenire, gravitația este atât cea mai cunoscută, cât și cea care ține universul laolaltă, conectând galaxiile îndepărtate într-o rețea cosmică vastă și interconectată. Având în vedere acest lucru, o întrebare fascinantă la care trebuie să reflectăm este dacă gravitația are o viteză. Se pare că da, iar oamenii de știință au măsurat-o cu precizie.

Să începem cu un experiment de gândire. Să presupunem că, în acest moment, Soarele ar fi făcut cumva să dispară – nu doar să se întunece, ci să dispară complet. Știm că lumina călătorește cu o viteză fixă: 300.000 de kilometri pe secundă sau 186.000 de mile pe secundă. Pornind de la distanța cunoscută dintre Pământ și Soare (150 de milioane de kilometri sau 93 de milioane de mile), putem calcula cât timp ar dura până când noi, cei de pe Pământ, am ști că Soarele a dispărut. Ar fi nevoie de aproximativ opt minute și 20 de secunde înainte ca cerul de la amiază să se întunece.

Dar cum rămâne cu gravitația? Dacă Soarele ar dispărea, nu numai că ar înceta să mai emită lumină, dar ar înceta și să mai exercite gravitația care menține planetele pe orbită. Când am afla?

Dacă gravitația este infinit de rapidă, gravitația ar dispărea și ea imediat ce Soarele ar dispărea. Am mai vedea Soarele timp de puțin peste opt minute, dar Pământul ar începe deja să se îndepărteze, îndreptându-se spre spațiul interstelar. Pe de altă parte, dacă gravitația s-ar deplasa cu viteza luminii, planeta noastră ar continua să orbiteze în jurul Soarelui ca de obicei timp de opt minute și 20 de secunde, după care ar înceta să mai urmeze traiectoria cunoscută.

Desigur, dacă gravitația s-ar deplasa cu o altă viteză, intervalul dintre momentul în care adoratorii Soarelui de pe plajă au observat că Soarele a dispărut și momentul în care astronomii au observat că Pământul se îndreaptă într-o direcție greșită ar fi diferit. Așadar, care este viteza gravitației?

De-a lungul istoriei științifice au fost propuse diferite răspunsuri. Sir Isaac Newton, care a inventat prima teorie sofisticată a gravitației, credea că viteza gravitației este infinită. El ar fi prezis că traiectoria Pământului în spațiu se va schimba înainte ca oamenii de pe Pământ să observe că Soarele a dispărut.

Pe de altă parte, Albert Einstein credea că gravitația se deplasează cu viteza luminii. El ar fi prezis că oamenii ar fi observat simultan dispariția Soarelui și schimbarea traiectoriei Pământului în cosmos. El a încorporat această ipoteză în teoria sa a relativității generale, care este în prezent cea mai bine acceptată teorie a gravitației și care prezice foarte precis traiectoria planetelor în jurul Soarelui. Teoria sa face predicții mai precise decât cea a lui Newton. Deci, putem concluziona că Einstein avea dreptate?

Nu, nu putem. Dacă dorim să măsurăm viteza gravitației, trebuie să ne gândim la o modalitate de a o măsura direct. Și, bineînțeles, din moment ce nu putem pur și simplu „face să dispară” Soarele pentru câteva momente pentru a testa ideea lui Einstein, trebuie să găsim o altă modalitate.

Teoria gravitației a lui Einstein a făcut predicții testabile. Cea mai importantă este aceea că și-a dat seama că gravitația familiară pe care o experimentăm poate fi explicată ca o distorsiune a țesăturii spațiului: cu cât este mai mare distorsiunea, cu atât este mai mare gravitația. Iar această idee are consecințe semnificative. Ea sugerează că spațiul este maleabil, similar cu suprafața unei trambuline, care se deformează atunci când un copil calcă pe ea. Mai mult, dacă același copil sare pe trambulină, suprafața se schimbă: sare în sus și în jos.

În mod similar, spațiul poate „sări în sus și în jos” în mod metaforic, deși este mai corect să spunem că se comprimă și se relaxează, similar cu modul în care aerul transmite undele sonore. Aceste distorsiuni spațiale se numesc „unde gravitaționale” și se vor deplasa cu viteza gravitației. Așadar, dacă putem detecta undele gravitaționale, putem probabil să măsurăm viteza gravitației. Dar distorsionarea spațiului în moduri pe care oamenii de știință le pot măsura este destul de dificilă și depășește cu mult tehnologia actuală. Din fericire, natura ne-a ajutat.

În spațiu, planetele orbitează în jurul stelelor. Dar, uneori, stelele orbitează alte stele. Unele dintre aceste stele au fost cândva masive, și-au trăit viața și au murit, lăsând o gaură neagră – cadavrul unei stele masive moarte. Dacă două astfel de stele au murit, atunci pot exista două găuri negre care orbitează una în jurul celeilalte. Pe măsură ce orbitează, ele emit cantități minuscule (și în prezent nedetectabile) de radiație gravitațională, ceea ce le face să piardă energie și să se apropie una de cealaltă. În cele din urmă, cele două găuri negre se apropie suficient de mult încât să fuzioneze. Acest proces violent eliberează cantități enorme de unde gravitaționale. Pentru fracțiunea de secundă în care cele două găuri negre se unesc, fuziunea eliberează mai multă energie sub formă de unde gravitaționale decât toată lumina emisă de toate stelele din Universul vizibil în același timp.

Deși radiația gravitațională a fost prezisă încă din 1916, oamenii de știință au avut nevoie de aproape un secol pentru a dezvolta tehnologia necesară pentru a o detecta. Pentru a detecta aceste distorsiuni, oamenii de știință iau două tuburi, fiecare cu o lungime de aproximativ 4 kilometri (2,5 mile), și le orientează la 90 de grade, astfel încât să formeze un „L”. Apoi, ei folosesc o combinație de oglinzi și lasere pentru a măsura lungimea celor două picioare. Radiația gravitațională va modifica diferit lungimea celor două tuburi, iar dacă observă modelul corect de modificare a lungimii, ei au observat undele gravitaționale.

Prima observație a undelor gravitaționale a avut loc în 2015, când două găuri negre situate la peste 1 miliard de ani lumină de Pământ au fuzionat. Deși acesta a fost un moment foarte interesant în astronomie, nu a răspuns la întrebarea privind viteza gravitației. Pentru aceasta, a fost nevoie de o altă observație.

Deși undele gravitaționale sunt emise atunci când două găuri negre se ciocnesc, aceasta nu este singura cauză posibilă. Undele gravitaționale sunt emise și atunci când două stele neutronice se ciocnesc. Stelele neutronice sunt, de asemenea, stele arse – asemănătoare găurilor negre, dar puțin mai ușoare. Mai mult, atunci când stelele neutronice se ciocnesc, nu numai că emit radiații gravitaționale, dar emit și o explozie puternică de lumină care poate fi observată în tot Universul. Pentru a determina viteza gravitației, oamenii de știință trebuiau să vadă fuziunea a două stele neutronice.

În 2017, astronomii au avut ocazia. Ei au detectat o undă gravitațională și, puțin peste două secunde mai târziu, observatoarele orbitale au detectat radiații gamma, care sunt o formă de lumină, din același loc din spațiu, provenind dintr-o galaxie situată la 130 de milioane de ani lumină distanță. În cele din urmă, astronomii au găsit ceea ce aveau nevoie pentru a determina viteza gravitației.

Fuziunea a două stele neutronice emite atât lumină, cât și unde gravitaționale în același timp, astfel încât, dacă gravitația și lumina au aceeași viteză, ar trebui să fie detectate pe Pământ în același timp. Având în vedere distanța galaxiei care adăpostea aceste două stele neutronice, știm că cele două tipuri de unde au călătorit timp de aproximativ 130 de milioane de ani și au ajuns la două secunde una de cealaltă.

Așadar, acesta este răspunsul. Gravitația și lumina călătoresc cu aceeași viteză, determinată printr-o măsurătoare precisă. Acest lucru îl validează încă o dată pe Einstein și sugerează ceva profund despre natura spațiului. Oamenii de știință speră ca într-o zi să înțeleagă pe deplin de ce aceste două fenomene foarte diferite au viteze identice.

Sursa: sciencealert.com