Tanya Ethan: Pada kecepatan berapa gelombang gravitasi bergerak?

Salah satu prediksi paling tak terduga dari Teori Relativitas Umum Einstein adalah keberadaan tidak hanya materi, radiasi, dan bentuk energi lain yang didasarkan pada partikel, tetapi juga keberadaan radiasi gravitasi itu sendiri, "riak" mendasar pada jalinan ruang-waktu. Ini adalah salah satu konsep yang paling sulit untuk dipahami, dan pembaca kami ingin mempelajari lebih lanjut tentang topik ini:

Gelombang gravitasi adalah gangguan perjalanan ruang-waktu dengan kecepatan c. Namun, ruang-waktu dapat berkembang dan berkontraksi dengan lebih cepat. Tetapi ekspansi, diikuti oleh kontraksi, sebenarnya adalah definisi dari gelombang kompresi. Tampaknya menjadi sebuah paradoks: gelombang gravitasi bergerak dengan kecepatan c, tetapi bagi mereka tampaknya ada kemungkinan gerakan superluminal. Bagaimana mengatasinya?

Untuk memulainya, mari kita mulai dengan konsep radiasi ini, dan bagaimana tampilannya.



Dalam elektromagnetisme, bahkan dalam klasik, hanya ada dua hal yang diperlukan untuk penampilan radiasi elektromagnetik: muatan dan medan yang dilaluinya bergerak. Muatan listrik dapat positif (seperti proton) dan negatif (seperti elektron), dan jika bergerak dalam medan magnet, ia akan mempercepat dan berputar, mengirimkannya pada lintasan siklik atau spiral.

Semakin kuat bidang, semakin tinggi kecepatan, dan semakin besar rasio muatan terhadap massa, semakin besar akselerasi (atau perubahan gerakan).



Tetapi dalam interaksi seperti itu, energi dan momentum harus dilestarikan, sehingga dalam elektromagnetisme setiap kali muatan dipercepat oleh medan eksternal, ia harus memancarkan radiasi. Ini memanifestasikan dirinya dalam bentuk foton, dan disebut, tergantung pada metode terjadinya, bremsstrahlung (Jerman: Bremsstrahlung), radiasi cyclotron atau synchrotron .

Dalam fisika Newton, tidak akan ada radiasi gravitasi, tetapi relativitas umum Einstein mengubah segalanya. Sumber masif - seperti partikel - memiliki analog dari muatan gravitasi, dan ruang melengkung adalah analog dari medan gravitasi. Setiap kali sebuah partikel masif bergerak dalam ruang melengkung, dan dapat melengkung kuat di sebelah bintang, bintang katai putih, bintang neutron atau lubang hitam, partikel itu akan memancarkan analogi radiasi elektromagnetik: radiasi gravitasi.



Bentuk radiasi baru ini tidak akan menjadi foton atau jenis radiasi lain, tetapi gelombang gravitasi yang merambat di lapisan ruang angkasa. Untuk massa tatanan bumi, berputar mengelilingi Matahari, radiasi gravitasi sangat kecil sehingga perubahan yang terlihat dalam orbit harus sekitar 10 kali.¹⁴⁰ usia alam semesta. Kami tidak akan pernah memperhatikan ini. Tetapi untuk sistem dengan massa yang lebih besar, jarak yang lebih pendek dan bidang yang lebih kuat, konsekuensinya lebih serius: untuk pulsar ganda, yang mengorbit di sekitar lubang hitam supermasif di pusat galaksi kita atau menggabungkan lubang hitam. Dalam kasus seperti itu, seseorang dapat mengamati penurunan orbit, dan karena kebutuhan untuk menghemat energi, kita tahu bahwa ada sesuatu yang membawanya pergi.



Ini haruslah radiasi gravitasi (itu juga gelombang gravitasi), dan berkat pengamatan dari pulsar ganda, kita tahu bahwa kecepatan radiasi ini harus sama dengan kecepatan cahaya dengan akurasi 0,2%! Dengan kata lain, gelombang bergerak melalui ruang dengan kecepatan yang sama dengan foton. Perbedaan utama adalah bahwa dalam kasus radiasi gravitasi, gelombang ini merupakan bagian integral dari struktur ruang.



Jadi apa yang terjadi jika gelombang ini, seperti dijelaskan dalam pertanyaan pembaca, tidak dibuat di ruang statis, tetapi di alam semesta yang mengembang? Mereka meregang dan mengembang, seperti halnya foton.

Panjang gelombang foton yang bergerak di alam semesta yang membentang membentang seiring dengan perluasan ruang. Konsentrasi dan energi partikel-partikel ini berkurang, dan meskipun mereka selalu merambat dengan kecepatan cahaya, jarak antara sumber dan pengamat meningkat. Misalnya, pada awal Ledakan Dahsyat, 13,8 miliar tahun lalu, hanya 10 ^-33 detik setelah inflasi:
• Foton yang mencapai kita hari ini hanya 100 meter dari kita 13,8 miliar tahun yang lalu.
• Dia akan melakukan perjalanan 13,8 miliar tahun, dan melakukan perjalanan 13,8 miliar tahun cahaya melintasi alam semesta yang mengembang, dan panjang gelombangnya akan meningkat 28 kali lipat.
• Sumber foton yang mencapai kita hari ini adalah 46,1 miliar tahun cahaya dari kita.



Kedengarannya gila? Kegilaan yang sama ini terjadi dengan gelombang gravitasi! Riak gravitasi juga harus merambat melalui Universe yang mengembang, juga bergerak di ruang angkasa dengan kecepatan cahaya (mengembang atau tidak), dan panjang gelombangnya membentang dengan cara yang sama seperti dengan foton. Gelombang gravitasi "naik" di jalinan ruang dengan cara yang sama seperti gelombang air "naik" di permukaan air. Jika Anda menjatuhkan batu ke sungai, riak tidak hanya menyebar ke luar sepanjang jari-jari. Itu akan menyebar ke luar, dan pada saat yang sama itu akan terbawa oleh sungai.



Riak gravitasi pada struktur ruang berperilaku kira-kira dengan cara yang sama: gelombang bergerak dengan kecepatan yang selalu bergerak dalam medium - dengan kecepatan cahaya c - tetapi kadang-kadang medium juga bergerak. Ini tidak berarti bahwa mereka melebihi kecepatan cahaya, sama seperti foton tidak melebihi ketika mereka 46 miliar tahun cahaya dari sumber dari mana mereka memulai perjalanan mereka 13,8 miliar tahun yang lalu. Gelombang gravitasi berperilaku sebagaimana mestinya. Mitra untuk kompresi dan ekspansi benar-benar sangat baik. Gelombang yang lewat mendistorsi struktur ruang, dan semua benda dan partikel di dalamnya, meregangkan dan menekannya dengan cara tertentu.



Tapi itu menyebar melalui Semesta dengan kecepatan cahaya dan memperhitungkan bagaimana struktur ruang berperilaku: mengembang, berkontraksi, atau tetap statis. Ini adalah solusi untuk paradoks: gelombang bergerak dengan kecepatan c, terlepas dari apa yang terjadi pada lingkungan yang dilaluinya!

Source: https://habr.com/ru/post/id401307/