გრავიტაციული ასტრონომია არის ასტრონომიის ყველაზე ახალგაზრდა დარგი. იგი ორი მიმართულებით ვითარდება.

გრავიტაციული ლინზები

      ფარდობითობის ზოგადი თეორიის თანახმად მატერია იწვევს სივრცის გამრუდებას, რის შედეგად სინათლისთვის და, საზოგადოდ, ელექტრომაგნიტური გამოსხივებისთვის, უმოკლესი მანძილი სწორი ხაზი კი არ არის, არამედ მრუდია. ამიტომ ნებისმიერი მასიური ციური სხეული, რომელიც მნათობიდან დამკვირვებლამდე გავრცელებული გამოსხივების უშუალო მახლობლობაშია, ამრუდებს გამოსხივების ტრაექტორიას და, მინის ლინზის ანალოგიურად, მოქმედებს როგორც გრავიტაციული ლინზა.

ძლიერი ლინზირების პრინციპი

      წარმოვიდგინოთ რაიმე შორეული კოსმოსური ობიექტი, რომლის გამოსხივებას, სანამ დამკვირვებლამდე მოაღწევდეს, გზად ხვდება გრავიტაციული წინააღმდეგობა - ლინზა. ამ დროს შეიძლება გამოვლინდეს ყველა ის ეფექტი, რომელიც ჩვეულებრივ ლინზებს ახასიათებს. კერძოდ, ციური ობიექტის სიკაშკაშე შეიძლება გაძლიერდეს, გამოსახულება - დამახინჯდეს (მაგალითად გაიწელოს) ანდა ერთის მაგივრადშეიძლება რამდენიმე გამოსახულებაც კი გამოჩნდეს, როგორც ეს ჩვეულებრივ ხდება მრავალსარკიან სისტემებში. მე-20 სურათზე ნაჩვენებია სხვადასხვა ტიპის გრავიტაციული დამახინჯებების ნიმუშები Hubble ტელესკოპის მიერ გადაღებულ გალაქტიკურ კლასტერში ABELL 2218.

გრავიტაციული ლინზირება ABELL 2218 კლასტერში.
© NASA, A. fruchter, the ERO Team

      მიუხედავად გრავიტაციული ლინზების ოპტიკურ ლინზებთან მსგავსებისა, მათ შორის არსებობს პრინციპული განსხვავებები. ცნობილია, რომ ოპტიკური ლინზა მით უფრო ძლიერ გარდატეხს სინათლის სხივს, რაც უფრო დაშორებულია სხივი ლინზის ღერძიდან. ამ თვისების გამო ლინზაზე დაცემული პარალელური სხივები იკრიბება ერთ წერტილში - ლინზის ფოკუსში. გრავიტაციული ლინზის შემთხვევაში კი სხივის გადახრის კუთხე ლინზის ღერძიდან მის დაშორებაზე არაა დამოკიდებული. ამიტომ ფოკალური წერტილის ნაცვლად ჩნდება ფოკალური წრფე, რაც იწვევს ეგრეთ წოდებული სინათლის თაღების და აინშტაინის რგოლების გაჩენას. მეორე განსხვავება, რომელიც მდგომარეობს ყველა ტალღის სიგრძის მქონე სხივის ერთნაირ გადახრაში, ძალზე ხელსაყრელია გრავიტაციული ლინზების გამოყენების თვალსაზრისით. ამ თვისების გამო გრავიტაციული ლინზები მოქმედებს არა მხოლოდ ოპტიკურ, არამედ ელექტრომაგნიტური ტალღების სრული სპექტრის დიაპაზონში (რენტგენის ჩათვლით).

      ასტრონომებმა გრავიტაციული ლინზების გამოყენება დაიწყეს 1979 წელს, მას შემდეგ, რაც აღმოჩენილ იქნა კვაზარი Q0957+561 ორმაგი გამოსახულებით. ამჟამად ცნობილია 50-ზე მეტი განმეორებადი გამოსახულების მქონე კვაზარი. თუმცა ეს მაინც საკმაოდ იშვიათი მოვლენაა, დაახლოებით ერთი - 500 კვაზარზე.

შენიშვნა: კვაზარს უწოდებენ შორეული მასიური გალაქტიკის კომპაქტურ ბირთვს, რომელიც გარს ერტყმის გალაქტიკის ცენტრში არსებულ ზემასიურ შავ ხვრელს და გაცილებით უფრო კაშკაშაა, ვიდრე გალაქტიკის პერიფერია. ყველაზე ხშირად კვაზარები ახალგაზრდა აქტიურ გალაქტიკებში დაიმზირება.

      ასტრონომები გრავიტაციულ ლინზებს სამ კლასად ყოფენ: ძლიერ, სუსტ და მიკროლინზებად.

      ძლიერი ლინზები იწვევს აინშტაინის რგოლების, სინათლის თაღების, ციური ობიექტის განმეორებადი გამოსახულებების წარმოქმნას. ლინზირების ეფექტის გამომწვევი ობიექტის მასა არ უნდა იყოს ნაკლები 10 ხარისხად 12 მზის მასაზე.

აინშტაინის რგოლი
© ESA/Hubble & NASA

      1964 წელს გამოითქვა იდეა, რომ ძლიერი გრავიტაციული ლინზების საშუალებით დაზუსტებულიყო ჰაბლის კონსტანტას მნიშვნელობა, რომლის შებრუნებული სიდიდე შეესაბამებოდა სამყაროს ასაკს. ამ მიზნით გამოყენებული იყო კვაზაარები ორმაგი გამოსახულებით. ნაჩვენები იქნა, რომ კვაზარის ერთი გამოსახულების სიკასკაშის ცვლილებას მეორე გამოსახულება იმეორებს გარკვეული დაგვიანებით, რომელიც დამოკიდებულია ამ კვაზარამდე მანძილზე. ასეთი მეთოდით გამოთვლილი და წითელი წინაცვლებით ნაპოვნი მანძლების ერთმანეთთან შედარებით კი შესაძლებელია კვაზარის ასაკის შეფასება. მაგალითად, Q0957+561 კვაზარის ერთ-ერთი გამოსახულების სიკაშკაშის ცვლილებას მეორე გამოსახულება იმეორებს 417 დღს შემდეგ, რაც ამ კვაზარის ასაკისთვის იძლევა დაახლოებით 14 მილიარდ წელს. აღწერილი მეთოდი ამჟამად გამოყენებულია შვიდი კვაზარისთვის. ჰაბლის მუდმივასთვის მიღებული მნიშვნელობა, ცდომილების ფარგლებში, გამოთვლის ტრადიციული მეთოდებით მიღებულ შეფასებებს კარგად ეთანხმება.

      სუსტი ლინზები იწვევს მათ მიღმა მდებარე ობიექტების გამოსახულებათა შედარებით მცირე დამახინჯებას. სუსტი ლინზირების გამოსავლენად საჭიროა დიდი რაოდენობის ციური ობიექტების მონაცემების სტატისტიკური შესწავლა.

      სუსტი ლინზების მცირე ეფექტის მიუხედავად, ის გამოიყენება რაიმე მოცულობაში არსებული მასის, მათ შორის ფარული მატერიის, განაწილების დასადგენად.

      გალაქტიკური კლასტერები და სუპერკლასტერები სამყაროში არსებული ყველაზე დიდი ზომის წარმონაქმნებია. მათი მასის დაახლოებით 80%-ს ბნელი მატერია შეადგენს. გალაქტიკური კლასტერები, ძლიერი ლინზირების გარდა, სუსტ ლინზირებასაც იწვევს, რაც პირველად 1990 წელს იქნა შესწავლილი Bell Laboratories თანამშრომლების მიერ. ისინი აკვირდებოდნენ კლასტერის მიღმა მდებარე გალაქტიკების სისტემატურ ელიფსურ გაწელვებს და ამ დამახინჯებებით აფასებდნენ კლასტერში მატერიის განაწილებას. ამ მეთოდით შესწავლილი იქნა მატერიისგანაწილება ათასობით გალაქტიკურ კლასტერში.

      სუსტი ლინზირებით შექმნილი კლასტერების მასათა განაწილების რუკები მნიშვნელოვანია გალაქტიკებში ფარული მატერიის შესასწავლად. გარდა ამისა, მათი საშუალებით აღმოჩენილია ეგრეთ წოდებული ბნელი კლასტერები, რომლებიც თითქმის არ შეიცავს მნათ ობიექტებს.

      მაშასადამე, სუსტი ლინზირების მეთოდით შესაძლებელია მატერიის განაწილების რუკის შექმნა მთელი სამყაროსთვის, რაც თავის მხრივ სამყაროში ფარული მატერიის რაოდენობის შეფასების საშუალებას იძლევა. თუმცა ამ მიზნის მისაღწევად ჯერ კიდევ ბევრი სამუშაოა ჩასატარებელი.

      მიკროლინზები იწვევს რაიმე ობიექტის გამოსხივების ცვლილებას დროში. მიკროლინზირება გალაქტიკაში არსებული მკრთალი ობიექტების შესწავლის ერთ-ერთი ძირითადი მეთოდია. კოსმოლოგიური მონაცემების ანალიზიდან გამომდინარეობს, რომ სამყაროს სიმკვრივის დაახლოებით 22%-ს განაპირობებს ფარული მატერია, რომლის დამზერა ელექტრომაგნიტური გამოსხივების საშუალებით ვერ ხერხდება. ბუნებრივად იბადება კითხვა, ხომ არ შედგება ფარული მატერია გალაქტიკის ჰალოში არსებული მკრთალი მნათი ობიექტებისგან? ეს შეიძლება იყოს შავი ხვრელები, ნეიტრონული ვარსკვლავები, ეგზოპლანეტები, თეთრი, ყავისფერი ან წითელი ჯუჯები. ასეთ ობიექტებს შეარქვეს საერთო სახელი – MACHO (Massive Compact Halo Object).

      მიკროლინზირებით ბნელი ობიექტების შესწავლის მეთოდის არსი იმაში მდგომარეობს, რომ როცა MACHO რომელიმე ციური სხეულის წინ ჩაივლის, ის რაღაც დროის განმავლობაში ცვლის მის სიკაშკაშეს. სიკაშკაშის ცვლილების ფორმა და ხანგრძლივობა კი დამოკიდებულია ამ პროცესში მონაწილე ობიექტებზე.

      სამყაროში, უამრავი ცვალებადი სიკაშკაშის ვარსკვლავის არსებობის გამო, მიკროლინზირების დამზერა საკმაოდ რთულია. ის მოითხოვს ვარსკვლავებზე უწყვეტ დაკვირვებებს სიკაშკაშის მოულოდნელი ცვლილების დასაფიქსირებლად. მიუხედავად სირთულეებისა, ამ მეთოდით ფარული ბარიონული მატერია აღმოჩენილი იყო ჯერ კიდევ 1993 წელს, ავსტრალიაში, სტრომლოს მთაზე მდებარე ობსერვატორიის თანამშრომლების მიერ. ამისთვის საჭირო გახდა რვა წლის განმავლობაში ათ მილიონამდე ვარსკვლავის გამოსხივების მონიტორინგი. თავდაპირველი მონაცემებით გამოდიოდა, რომ გალაქტიკებში ფარული მატერიის დიდი ნაწეილი შეიძლება წარმოდგენილი ყოფილიყო სუსტი სიკაშკაშის მქონე ვარსკვლავებით. ეს შედეგი ხელახლა იქნა შემოწმებული NASA-ს Hubble კოსმოსური ტელესკოპის და ESA-ს VLT ტელესკოპის მეშვეობით. აღმოჩნდა, რომ ფარულ მატერიაში MACHO-ს წვლილი 4%-ს არ უნდა აღემატებოდეს. ამიტომ ამჟამად ფარული მატერიის ძირითადი მოდელი ემყარება ჰოპოთეტური ნაწილაკების ე.წ. WIMP-ების (Weakly Interacting Massive Particles) არსებობის დაშვებას.

ტელესკოპი MOA

      2008 წლის დეკემბერში ახალი ზელანდიის ობსერვატორიაში (Mt John Observatory) ოფიციალურად ამოქმედდა იაპონურ-ზელანდიური ტელესკოპი MOA (Microlensing Observations in Astrophysics), რომელიც გამიზნულია ბარიონული შემადგენლობის ფარული მატერიის შესასწავლად. თუმცა ჯერ კიდევ 2007 წელს MOA ტელესკოპის საშუალებით აღმოჩენილი იქნა ეგზოპლანეტა თბილი ოკეანით. ხოლო 2008 წელს იაპონურ-ზელანდიური თანამშროლობის მიერ დამზერილი იყო ვარსკვლავისა და მისი პლანეტების სისტემა, რომელიც ძალიან წააგავს ჩვენს მზის სისტემას.

ახალი მზის სისტემა

გრავიტონებზე ნადირობა

      ცნობილია, რომ სამყაროში მიმდიინარე პროცესები განპირობებულია მხოლოდ ოთხი ფუნდამენტური ურთიერთქმედებით: ძლიერით, ელექტრომაგნიტურით, სუსტითა და გრავიტაციულით.

      ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედებით გამოწვეული გამოსხივებებისა და მათი დეტექტირების საშუალებით ციური ობიექტების შესწავლა უკვე განვიხილეთ სხვადასხვა სტატიებში, იხილეთ კატეგორია "ასტრონომია". ძლიერი და სუსტი ურთიერთქმედებები ძალიან სწრაფად მცირდება ურთიერთმოქმედ ნაწილაკებს შორის მანძილის ზრდასთან ერთად. ამიტომ ისინი თავს იჩენენ მხოლოდ სუბატომურ ობიექტებს შორის მიმდინარე პროცესებში. გრავიტააციული ურთიერთქმედება კი, თავისი სისუსტის მიუხედავად, მნიშვნელოვანია მაკროსხეულებისთვის, მით უმეტეს კოსმოსური ობიექტებისთვის.

      ძლიერი, ელექტრომაგნიტური დაა სუსტი ურთიერთქმედება ხორციელდება ე.წ. გადამტანი ნაწილაკების საშუალებით: ურთიერთმოქმედი ობიექტების მიერ შესაბამისი გადამტანების მიმოცვლა წარმოებს. ამ სამი ფუნდამენტური ურთიერთქმედების გადამტანი ნაწილაკები კარგად არის შესწავლილი.

      მეცნიერები თითქმის დარწმუნებული არიან, რომ გრავიტაციულ ურთიერთქმედებასაც შეესაბამება გადამტანი ნაწილაკი - გრავიტონი. ამ წარმოდგენის შესაბამისად დედამიწასა და მზეს შორის გრავიტაციული ურთიერთქმედება ხორციელდება ვაკუუმში გრავიტონების ნაკადების ანუ გრავიტაციული ტალღების გაცვლით, რაც იძლევა ფარდობითობის ზოგად თეორიაში გამოყენებული მრუდე სივრცის ფორმალიზმის ექვივალენტურ შედეგებს.

      გრავიტონები ჯერ არ არის აღმოჩენილი. მათი ღმოჩენის იმედს კოსმოსში მიმდინარე მოვლენების შესწავლაზე ამყარებენ. გრავიტონების მოდელის თანახმად, გალაქტიკების შერწყმის ან სხვა მსგავსი კატასტროფული მოვლენების დროს ჩნდება გრავიტაციული ტალღები. ყველაზე მძლავრი კატაკლიზმი დაკავშირებულია დიდ აფეთქებასთან. ამ დროს უნდა წარმოშობილიყო გრავიტაციული ტალღები, რომელთა სიგრძე სამყაროს რადიუსის რიგისაა. სამყაროში ეს ტალღები ჯერ კიდევ უნდა არსებობდეს. რელიქტური ნეიტრონების ანალოგიურად ისინი სამყაროს მატერიასთან არ ურთიერთქმედებენ. მიუხედავად ამისა, მეცნიერებს რელიქტური გრავიტონების არაპირდაპირი დაფ იქსირების იმედი მაინც აქვთ, ვინაიდან მათ უნდა გამოეწვიათ მიკროტალღური რელიქტური ფონის ფოტონების პოლარიზაცია.

      XX საუკუნის 70-იან წლებში აღმოჩენილი იქნა მოვლენა, რომელიც ირიბად მიუთითებს გრავიტონების არსებობის შესაძლებლობაზე. დამზერილი იქნა ორმაგი პულსარი PSR1913+16, რომელიც შედგებოდა ორი, ერთმანეთის გარშემო მბრუნავი ნეიტრონული ვარსკვლავისგან. ერთ-ერთი ვარსკვლავი დედამიწის მიმართ ისე არის ორიენტირებული, რომ ყოველი შემობრუნებისას მისი პოლუსიდან წამოსული რადიოგამოსხივება ფიქსირდება დედამიწაზე. ეს რადიოგამოსხივება ამ სისტემის პარამეტრების შესწავლის საშუალებას იძლევა. აღმოჩნდა, რომ ნეიტრონული ვარკსლვავების ორბიტა წარმოადგენს სპირალდ და ყოველი შემობრუნებისას ისინი უახლოვდებიან ერთმანეთს. ორბიტის პარამეტრები კარგად ემთხვევა მოდელს, რომლის თანახმად ვარსკვლავების ურთიერთდაახლოების მიზეზი მათ მიერ გრავიტაცული ტალღების გამოსხივებაა.

გალაქტიკების შეჯახების გამოსახულება
© NASA / Hubble Heritage Team

      სპირალურად მოძრავი ორმაგი ნეიტრონული ვარსკვლავების შერწყმის მომენტში გაჩენილ გრავიტაციულ სიგნალს უნდა ჰქონდეს გარკვეული დამახასიათებელი ფორმა, რომლის ამოცნობის შემთხვევაში შესაძლებელი უნდა იყოს გრავიტაციული ტალღების აღმოჩენა. სამწუხაროდ, ორმაგი ვარსკვლავების სიცოცხლის ხანგრძლივობა მილიონობით წელია. მაგალითად, PSR1913+16 პულსარის შერწყმა 200 მილიონი წლის შემდეგ მოხდება. ვარაუდობენ, რომ დედამიწის მახლობლად მდებარე სპირალური ორბიტების მქონე ორმაგი ვარსკვლავების იმდენი რაოდენობაა, რომ ერთი შერწყმა დაახლოებით ათ წელიწადში ერთხელ უნდა ხდებოდეს. მიუხედავად მცდელობებისა, ექსპერიმენტული თვალსაზრისით ასეთი იშვიათი მოვლენა ჯერჯერობით არ არის დამზერილი.

      ამჟამად მოქმედებს რამდენიმე დანადგარი, რომელიც გრავიტაციული ტალღების დაფიქსირებისთვისაა გამიზნული. ამ აპარატურისთვის ხელმისაწვდომი ენერგიის მქონე ტალღების შესაძლო წყაროდ, გარდა პულსარებისა, აგრეთვე განიხილება გალაქტიკების შეჯახებებიც, რადგან მათ ბირთვებში არსებული შავი ხვრელების ურთიერთქმედებამ მძლავრი გრავიტაციული ტალღები უნდა წარმოქმნას.