• Nie Znaleziono Wyników

TERMOMETRIA WNĘTRZA SŁOŃCA I SPEKTROSKOPIA NEUTRINOWA

W dokumencie Postępy Astronomii nr 2/1971 (Stron 38-53)

T e dwie dziwnie brzmiące dla astronomów nazwy spotyka się w o s t a t ­ nich latach często nawet w tytułach doniesień naukowych [148—152]. Wydaje s ię , że oddają one dość trafnie zadania, jakie s to ją przed astronomią neutri- nową. Ju ż pierwszy wynik D a v i s a (60) posłużył do oszacow ania gómej granicy temperatury we wnętrzu Słońca. Następny rezultat (63) pozwolił na obniżenie tej wielkości i w chwili obecnej przyjmujemy w najrozmaitszych modelach (patrz np. tab. 10) temperaturę centralną rzędu 15 milionów stopni. Jedynie w przypadku podwyższonej zawartości 3He temperatura centralna obniża się do 10,02 '106 °K [129] Mimo, że przy wykorzystaniu reakcji Pontecorvy-Davisa można stosunkowo dokładnie wyznaczyć temperaturę centralną Słońca, konieczna je s t weryfikacja tego wyniku w doświadczeniach stosujących inne substancje do wychwytu neutrin. Analizowano już teoretycz­ nie przydatność np. detektora galowego i bromowego do doświadczeń neutri- nowych z punktu widzenia pomiaru centralnej temperatury Słońca [78, 148]. Wynik eksperymentu D av isa [34, 35] pozwolił już w 1968 r. n a dalsze zawężenie kręgu teoretycznych możliwości dla stanu fizycznego materii we wnętrzu Słońca i przebiegających w nim procesów. W śla d za p racą [153] podajemy trzy n ajw ażniejsze implikacje teoretyczne:

1) Cykl CNO nie może być podstawowym cyklem energetycznym Słońca. (Gdyby tak miało być, wtedy szybkość wychwytu neutrin w doświadczeniu D a v isa byłaby co najmniej równa 3,5 SNU; wartość ta nie zależałaby od tem­ peratury centralnej i nie byłoby sposobu na jej obniżenie).

2) Zawartość pierwiastków ciężkich w Słońcu je s t prawdopodobnie nie większa niż 2%.

3) Zawartość helu w pierwotnym Słońcu była rzędu 22%.

Ostatnie dwie konsekwencje słuszne s ą w ramach aktualnie stosowanych modeli teoretycznych dla wnętrza słonecznego.

Astronomia neutrinowa Słorica, III 125

O cyklu CNO dotychczas nie wspominaliśmy uw ażając, że parę procent energii Słońca, pochodzące z tego cyklu, nie gra roli w całkowitym bilansie energetycznym. Pewna okoliczność, na którą zwrócili uwagę K u z m i n i C z e ł - p a n o w [154] sprawia, że warto o nim choć parę słów powiedzieć. Zazwyczaj przyjmuje się, że w środku Słońca temperatura i gęstość s ą za małe, by mogły przebiegać reakcje z gałęzi bocznych cyklu CNO. Choć jednak rekacje ( 1 9 ) ... (22) nie dają praktycznie żadnego wkładu do bilansu energetycznego Słorica, w trakcie ewolucji Słońca stężenia jąder z gałęzi głtfwnej cyklu wzrastają kosztem ubytku 160 z gałęzi bocznej, a wtedy jednocześnie rośnie ilość energii wydzielanej w cyklu CNO, jak również i liczba neutrin z rozpa­ dów 13N i lsO. Aspekt ten może mieć znaczenie przy budowie detektorów neutrinowych w rodzaju detektora litowego, który jest bardzo czuły na neutri­ na z powyższych rozpadów.

Budowa dalszych detektorów neutrin słonecznych* stanowi niewątpliwie konieczność rozwojową. Kilka typów detektorów wykorzystujących metodykę radiometryczną opisałem w rozdz. 9. Brak jeszcze wyników. Tym niemniej myśli się ju ż sporo o konstrukcji detektora radiochemicznego, wykorzystują­ cego reakcję (50) neutrin słonecznych z litem. Do prac cytowanych w poprzed­ niej części artykułu warto w tym miejscu dołączyć prace B a h c a l l a [92]

i D o m o g a c k i e g o [155].

Dlaczego potrzebny jest jeszcze jeden detektor neutrin? Je śli astronomia neutrinowa Słorica ma się rozwijać, konieczne jest uzyskanie informacji o słonecznych neutrinach, odmiennej zasadniczo od tej, której nam może dostarczyć urządzenie Davisa. Chodzi o to, by zarówno próg reakcji odwrot­ nej przemiany (3 jak i zależność przekroju czynnego od energii były odmienne od analogicznych wielkości dla 37C1. Dla zorientowania Czytelników w sytua­ cji przytaczam za B a h c a l l e m tab. 12, zawierającą znaczną część substan­ cji wymienionych w tab. 5.

Wyniki przewidywań zawarte w tab. 12 wskazują na perspektywy rozwoju astronomii neutrinowej. Łatwo zauważyć, że każda z proponowanych w charak­ terze detektora substancji „uczulona” jest na odmienną grupę neutrin, tak więc prowadzenie nawet wyłącznie radiochemicznych doświadczeń umożliwia kolejne zdobywanie informacji o różnych reakcjach we wnętrzu Słońca. Użycie tarczy litowej pozwala na optymalne wykorzystanie neutrin, wytwarzanych w cyklu CNO. Podczas gdy detektor chlorowy udziela nam informacji przede wszystkim o neutrinach' borowych i berylowych, detektor litowy pozwoliłby nam na oszacowanie wkładu neutrin z cyklu CNO i neutrin pep. (Nazwy grup neutrin słonecznych, związane z ich powstawaniem w określonych procesach, jak np. neutrina p—p czy neutrina pep, s ą już powszechnie stosowane w litera­

turze naukowej).

Ogólne kryteria dla wyboru odpowiedniej substanćji w kolejnym ekspery­ mencie neutrinowym wydają sig być następujące [92]:

* Można je także nazywać teleskopami neutrinowymi. Wszak nie metodyka pomiaru a cel stosowania powinny decydować o nazwie przyrządu!

126 B . Kuchowicz

T a b e l a 12

Przew idyw a na s z y b k o ś ć wychwytu neutrin sł o n e c z n y c h w różnych m ateriałach w g B a h c a l l a [92]

R e a k c ja użyta do

S z y b k o ś ć wychwytu neutrin wyrażona w SNU R o d z a j detek tora Wkład neutrin p o c h o d z ą c y c h z r e a k c ji d e t ek c ji (1) P - P ( l a ) pep (5) 7 B e (8) • B (14) i (17) u N + « o Ł ą c z n i e J H (53) 0 0 0 4 0 ,002 4 J H (43) 3000 60 5 0 0 8 80 4 000 7L i (50) 0 10 0 5 6 20 U B (55) 0 0 0 2 0 2 S7C1 (49) 0 0 ,3 0,8 2 0,2 3 51V (48) 0 0 ,2 0 , 5 0,6 0,1 1 55 Mn (45) 3 0.1 0,5 0,01 0,1 4 71Ga (46) 200 6 40 0,8 7 300 ,7 Rb (44) 400 9 60 0,1 10 500 ve ' e (Ą> drz ^ (56) 8 MeV) 0 0 0 0 ,006 0 0,006

Powyższe wydajności reakcji neutrinowych obliczono dla następujących strumieni neutri- nowych z p r a c y [ l 0 2 j ; wyrażonych w ve /cm 2 s:

$ (p _ p) - 6,3 5 -1 0 ® , <t> (pep) = 1,65 • 10*. $ (’ B e) = 2 ,9 • 109, 3> (®B) - 1,2 -106, <I> ( UN + lsO) - - 4,4 -10'.

Różnica między stosowanym tu modelem słonecznym, a modelami z ostatniej pracy B a h c a l ­ l a i U l r i c h a [ l l 9 ] jest niewielka.

1) J a k wiadomo, n ajw ięcej j e s t neutrin p —p , obok nich w określon ej propor­ c ji w y stę p u ją z a w s z e neutrina p e p . Je d y n ie neutrina p e p d a ją pewien n i e ­ wielki wkład do wychwytu w chlorze. Potrzebn e j e s t w ięc w ykorzystanie s u b s t a n c ji , w której wkład przynajmniej jednej z tych dwóch grup neutrin będ zie istotny dla pow staw ania nowego radionuklidu. Argument ten elim inuje z rozważań w ykorzystanie deuteru, boru, ja k również ro z p ra sz a n ia neutrino- -elektron.

2) W nowym d o św iad cz en iu powinna is t n ie ć m o żliw o ść c z ę ś c io w e g o po­ tw ierdzenia wnioskdw, uzyskanych z d o św ia d cz e n ia D a v is a . T a k w ięc wkład neutrin borowych i berylowych nie powinien s p a d a ć p oniżej jed n ej tr z e c i e j. Elim inuje to z rozważań tryt, 55Mn, 71G a i 87Rb.

3) Do s z y b k o ś c i wychwytu neutrin w nowym d o św iad cz en iu powinny dawać zn aczn y wkład te grupy neutrin, które nie o d gry w ają r o l i dla 37C1. Warunek ten elim inuje z rozważań deuter, “ B i !1V.

Po tej kolejn ej elim in a cji p o z o s t a je , ja k o n ajb ard zie j sen so w n e w obecnej s y tu a c ji , d o św ia d cz e n ie z 7L i . P rzeprow adzen ie je g o w n a jb l i ż s z e j p r z y s z ło ś c i stanow iłoby p o czą tek rozwoju sp ek tro sk o p ii neutrinowej S ło ń ca, opartej na s e l e k c ji określonych porcji widma neutrin słon ec zn ych w różnych d o św ia d ­ c z en iach .

Astronomia neutrinowa Słońca, III 127

Istnie ją obecnie spore trudności w wyjaśnieniu niezwykle niskiej ilości zliczeń w doświadczeniu Davisa. Sądzi się, że albo w Słońcu powstaje znacz* nie mniej wysokoenergetycznych neutrin borowych, niż by to wynikało z ustalo­

nych modeli słonecznych, albo też w wyniku jakiegoś niewyjaśnionego w pełni procesu (np. z powodu oscylacji Pontecorvy) dociera mniej neutrin do po­

wierzchni Ziemi. Każde z tych wyjaśnień pociąga za sobą odmienne konsekwen­ cje w kwestii wyniku doświadczenia z 7L i. Gdyby hipoteza oscylacyjna miała się okazać' słuszna, wtedy w każdym doświadczeniu z neutrinami słonecz­ nymi wynik mógłby być o połowę niższy od przewidywanego. Jeśli natomiast popełniamy tylko błąd w obliczeniach, przeceniając wkład neutrin borowych, wtedy doświadczenie z litem pozwoliłoby nam nabyć pewności co do przebiega­ nia reakcji termonukleamych w Słońcu. Niezależnie od wartości różnych parametrów jądrowych i astrofizycznych wydaje się, że minimalna szybkość wychwytu neutrin w chlorze może wynosić 0,3 SNU (pod działaniem neutrin pep). Gdyby doświadczenie Devisa miało wskazać na wartość n iższą w przy­ szłości, postawiłoby to pod znakiem zapytania nasze wyobrażenia o mecha­ nizmie generacji energii w Słońcu. Przyjmując nawet hipotezę oscylacyjną, moglibyśmy jako absolutną granicę dolną powyższej szybkości wychwytu przy­ ją ć 0,15 SNU. Doświadczenie Davisa trwa nadal; nie wiemy, kiedy uda się mu zbliżyć do podanej granicy. Jedno jest pewne; samo doświadczenie Davisa nie wystarczy. Nawet, gdyby należało się liczyć z rzeczą najdziw niejszą, a mianowicie kolejnym obniżeniem górnej granicy dla szybkości wychwytu neutrina w chlorze poniżej 0,15 SNU, co wydawałoby się w pierwszej chwili katastrofą dla współczesnych wyobrażeń teoretycznych, wynik ten powinien być uzupełniony wynikiem dla innego detektora neutrin. Cały kłopot tkwi w tym, że jeszcze nie bardzo wiemy, jak pracować z detektorem litowym. Wkracza tu zagadnienie użycia odpowiedniego związku chemicznego litu i oczyszczenie od domieszek, które mogłyby wywołać niepożądane efekty. Sprawa ta jest obecnie przedmiotem aktywnych analiz teoretycznych, a nawet próbuje się prowadzić próbne badania z modelem przyszłego detektora lito­ wego. Jak widać z danych przytoczonych w tab., 6, można będzie ograniczyć się do mniejszej masy detektora niż w przypadku chloru.

Astronomia neutrinowa ma przed sobą jeszcze niewątpliwie dhigą i usia­ n ą trudnościami drogę rozwoju. Już najbliższe lata dostarczą nam dalszych wyników z istniejących w tej chwili teleskopów neutrinowych. A ile jeszcze się takich teleskopów zbuduje!

W przeglądzie niniejszym nie umieszczam „Zakończenia” . Nie da się bowiem wykluczyć, czy dalszy postęp astronomii neutrinowej nie skłoni mnie po kilku latach do napisania czwartej części niniejszego przeglądu.

L I T E R A T U R A

Pozycje [ 1 ] —[7 43 podane s ą w C zęści I przeglądu, pozycje (75]—[9l] — w Części II. [92] B a h c a 11, J .N ., 1969, Phys. Rev. Letters, 23, 251.

128 B . Kuchowicz

[93] D a h c a 11, J.N., F ow le t, W.A., Ib e n , I., Jr., S e a r s , R .L., 1963, Ap.J., 137, 344.

94] S e a r s , R .L ., 1964, Ap. J., 140, 477.

95 P o c h o d a . P . , R e e v e s , H., 1964, Planet. Space Sci., 12, 119. 96] B a h c a l l , J.N ., 1964, Phys, Rev., 135 B, B137.

97] F o w l e r , W.A., 1958, A p . J . , 127, 551.

98 P a r k e r , P.D., B a h c a l l , J.N., Fow ler, W.A., 1964, Ap. J., 139 , 602. 99 K o c z a r o w, G.E., 1964, Izw. Akad. Nauk SSSR, Ser. Fiz., 28, 1721. [lOO K o c z a row, G.E., 1964, Dokłady Akad. Nauk SSSR, 156, 781. [lOl B a h c a l l , J.N ., 1966, Phys. Rev. Letters, 17, 398.

[102 B a h c a l l , J.N ., B a h c a 11, N.A., U 1 r i c h, R ., 1969, A p . J . , 156, 559. [l03 R o u s e , C .A ., 1969, Nature, 224, 1009.

[104] P o n t e c o r v o , B., 1967, Żum. Eksp. Teor. F iz ., 53, 1717; tłum. ang. w Soviet Phys. JETP, 26, 984.

[105] G ri bo v, V., P o n t e c o r v o , B ., 1969, Physics Letters, 28 B, 493. [ 106] B a hca 11, J.N., F r a u t s c h i, S.C., 1969, Physics Letters, 29 B, 623. [ 107] D i e s e n do r f, M.O., 1970, Nature, 227 , 266.

[108] F o w l e r , W.A., 1969, Contemporary Physics: Trieste Symposium 1968, Vol. I (Internat. Atomic Energy Agency, Vienna), str. 359.

[109] F o wl e r , W.A., 1968, Origin and Distribution of the Elements (L.H. Ahrens, ed.) (Pergamon Press, Oxford), str. 3.

[110] B ah c a 11, J.N., Ha y, R.M., 1968, A p .J. Letters 152, L17. [111] B a h c a l l , J.N ., May, R.M., 1969, Ap . J . , 155, 501.

[ 1 1 2] Ba h c a l l , J.N ., B a h c a l l , N.A., F o w l e r , W.A., S h a v i v , G., 1968, Physics Letters 26 B, 359.

[113] B a h c a l l , J.N., S h a v i v , G., 1968, Ap . J . , 153, 113.

[114] S h a v i v , G., B a h c a l l , J.N., F o w l e r , W.A., 1967, A p.J., 150, 725.

[115] D e r g a c z e w , W.A., K o c z a r o w , G.E., 1968, Izw. Akad. Nauk SSSR, Ser. F iz., 32, 1847.

[ 116 B a h c a l l , J.N., 1962, Phys. Rev., 128, 1297.

[in]

B a h c a l l , J.N ., M o e l l e r , Ch. P ., 1969, Ap. J., 155, 511.

[ l l 8 I b e n , I.J r ., K a l a t a , K., S c h w a r t z , J., 1967, Ap. J., 150, 1001. [119 B a he a 11, J.N., U 1 ri ch, R.K., 1970, Ap. J. Letters, 160, L57. [120 K o p y s o v , Yu.S., K u z m i n , V.A., 1968, Canad. J. Phys., 46, S488. [l2l] K o p y s ow, J.S., K u z m i n , W.A., 1969, Kosmiczeskije Luczi, Nr. 11, 142. [ I22 B a h c a 11, J.N., 1962, Phys. Rev., 126, 1143.

[123] B a h c a l l , J.N., 1964, Ap. J., 139, 318.

[124] D er ga c z e w, W.A., K o c z a r o w , G.E., S t a r b u n o w , Ju.N., 1968, Trudy Piatoj Wsesojuznoj Jeżegodnoj Zimnej Szkoły Po Kosmofizikie (21 mar.—5 apr. 1968) (Akad. Nauk SSSR, Naucznyj Sowiet po Probl. „Kosmiczeskije Ł u czi” , 1968), str. 73.

[125] K o c z a r ow, G.E., 1969, Trudy Szestoj Wsesojuznoj Jeżegodnoj Zimnej Szkoły po Kosmofizikie (18 mar.—1 Apr. 1969) [Akad. Nauk SSSR, Naucznyj Sowiet po Probl. „Kosmiczeskije Ł u c z i” , 1969], str. 137.

[ 126] B a h c a l l , J.N ., C o o p e r , M„ D e m a r q u e , P., 1967, Ap. J., 150, 723. [127] Wat s on, W.D., 1969, Ap. J., 157 , 375.

[ 128] D i es end orf, M.O., N i n h a m , B.W., 1 969, Ap. J „ 156, 1069.

[129] K o c z a r o w , G.E., S t a r b u n o w , Ju.N ., 1970, P is ’ma w ŻETF, 11, 132. [130] E z e r , D., C a m e r o n , A.G.W., 1968, Astrophys. Letters, 1, 177.

[131] B a h c a l l , J.N ., B ah c a l 1, N.A., U l r i c h , R .K. 1 968, Astrophys. Letters, 2, 91. [132] S h a v i v , G., B e a u d e t , G„ 1968, Astrophys. Letters, 2, 17.

Astronomia neutrinowa Słońca, III 129

133] U l r i c h , R.K., 1969, Ap. J . t 158, 427.

134] E z e r , D,, C a m e r o n , A.G.W., 1965, Canad. J . Phys., 44, 593. 1 3 5 ] S h a v i v , G., B a hc a 11, J.N., 1969, Ap. J., 155, 135.

136] W a t s o n, W.D., 1969, Ap. J . Letters, 158, L189.

137] G a r z , T . , Ko c k , M., R i c h t e r , J., B a s c h e k , II., U n s o l d , A., 1969, Nature, 223, 1254.

138] War ner , B., 1968, Mon. Not. Roy. Astron. Soc., 138, 229. 139] T h o m e , K.S., 1967, Ap. J., 148, 51.

140] B r an s, C., D ic ke, R.H., 1961, Phys. Rev., 124, 925.

141] Z a c e p i n , G.T., K u z m i n , W.A., 1964, Wiestnik Akad. Nauk SSSR, Nr 2, 50. 142] Sh e 1 do n, W.R., 1969, Nature, 221, 650.

143] K o c z a row, G.E., S t a r b u n o w , Ju.N ., 1966, Izw . Akad. Nauk SSSR, Ser. F iz., 30, 1090.

144] I n f e l d , L., 1964, Szkice z przeszłości (PIW, Warszawa), str. 73.

145] P o n t e c o r v o , B., 1969, Trudy Mieżdunarodnogo Seminara po Fizikie Nejtrino i Nejtrinnoj Astrofizikie, Moskwa, 9—12 Sent. 1968 (Akad. Nauk SSSR, F iz. Inst. Im. Lebiediewa, Moskwa), str. 169.

146] K o n o p i n s k i , E., Ma h mo u d , H. M. , 1953, Phys. Rev., 93, 1 045. 147] N e z r i c k, F .A., R e in e s, F ., 1966, Phys. Rev., 142,852. 148] K u z m i n, W.A., 1965, Izw. Akad. Nauk SSSR, Ser. F iz., 29, 1743.

149] K u z m i n , V.A., Z a t s e p i n , G.T., 1965, Proc. Intern. Conf. Cosmic Rays, Vol. 2, 1023 (London).

150] K u z mi n , V.A., 1 965, Proc. Intern. Conf. Cosmic Rays, Vol. 2, 1032 (London). 1 5l] K u zm in , W A ., 1966, Dokłady Akad. Nauk SSSR, 167, 1276.

152] Ku z mi n , V.A., Z a t s e p i n , G.T., 1969, Trudy Mieżdunarodnogo Seminara po Fizikie Nejtrino i Nejtrinnoj Astrofizikie, Moskwa, 9—12 Sent. 1968 (Akad. Nauk SSSR, F iz. Inst. im. Lebiediewa, Moskwa), str. 156.

153] B a h c a l l , J.N n B a h c a l l , N.A., S h a v i v , G„ 1968, Phys. Rev. Letteis, 20, 1209.

154] K u z m i n , W.A., C z e ł p a n o w , W J ., 1969, Kosmiczeskije Łuczi, Nr. U , 139. 155] D o m o g a c k i , G.W., 1969, raport Nr 153, Laboratorium Neutrin. Inst. im. Lebie­

" — — 1—

.

P O S T Ę P Y ASTRONOMII Tom XIX (1971), Zeszyt 2

P R O M I E N I O W A N I E G R A W I T A C Y J N E

A L I C J A C O Ł Ę B I E W S K A - L A S O T A , J A N P I O T R L A S O T A Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN, Warszawa

Zakład Astronomii PAN, Warszawa

rPABMTAUMOHHOE M3.J1YMEHME

A. P o ji3 M 6 e B C K a - J l n c o T a , H. IL J l n c o T a Cof l ep * a H H e

B CTaTbe oroBopeHbi HeKOTopbie 0CH0BHbie Bonpocbi rpaBHTauMOHHoro M3JiyMeHMH. B e * a T O M 4>opMe oniican Tanace. a e T e K T o p rp aB W T am iO H H b ix b o j ih

m npeflCTaBJieubi pe3yjibTaTbi onbiTOB Be6epa.

GRAVITATIONAL RADIATION S u m m a r y

Some basic problems of the theory of gravitational radiation are discussed. A brief description of the gravitational waves detector and of the results of J . Weber’s experiments is also given.

1. WSTĘP

W roku 1969 amerykański fizyk We b e r zarejestrował drgania pdłtora- tonowego walca aluminiowego wywołane, jego zdaniem, promieniowaniem grawitacyjnym. P ięćdziesiąt trzy lata wcześniej Albert E i n s t e i n badając sformułowane przez siebie równania pola grawitacyjnego, odkrył możliwość istnienia takiego promieniowania. W latach 1916—1969 napisano na temat fal grawitacyjnych setki prac, przeprowadzono wiele dyskusji, w których kwestionowano istnienie takich fal w przyrodzie. Dyskusje te zresztą w ciąż jeszcze trwają, gdyż nie wszyscy wierzą W e b e r o w i i czekają na inne, nie­ zależnie od niego przeprowadzone eksperymenty. Teoretycznie badania pro­ mieniowania grawitacyjnego były możliwe, mimo braku danych

132 A , Gołębiewska-Lasota, J , P . Lasota

nych, d zię k i pewnym analogiom m iędzy polem grawitacyjnym a dobrze znanym polem elektromagnetycznym. Is tn ie ją w szakże poza analogiam i tak że pewne różn ice, ktdre trzeba brad pod uwagę. One to pow odują, że dotychczas nie udało s ię otrzymad rozw iązań równań E i n s t e i n a , ktdre by reprezentowały rzeczyw iste promieniowanie graw itacyjne. Pam iętajm y jednak, że odpowiednie ro zw iązania równań M a x v e l l a udało s i§ uzyskad dopiero w 1941 r. Mimo nieznajom ości śc isły c h rozw iązań pewne w łasności promieniowania p ola grawitacyjnego s ą znane i w artykule tym chcielibyśm y krdtko i przystępnie (wymagana je st jednak znajomośd elektrodynamiki) przedstawid niektdre z nich.

W c zę śc i pierw szej omówimy ogólne w łasności pola graw itacyjnego. S zc ze g ó ln ą uwagę zwrócimy na podobieństwa i różnice z polem elektromagne­ tycznym . W części drugiej przedstawimy tzw . lin io w ą teorig graw itacji. C zę śd trzecia pośw ięcona będzie przybliżonem u opisow i konkretnego procesu em isji prom ieniowania graw itacyjnego. W części czwartej podamy ogdlne w łasności fa l grawitacyjnych emitowanych przez różne źródła, a w części p iąte j zawarty będzie o p is dośw iadczenia Webera.

W niniejszym artykule przyjmujemy konwen-cję su m acy jn ą E in ste in a , czyli opuszczam y znak sumy gdy w s k a źn ik i p ow tarzają się , np.:

N

a i a 1 = 2 a i a'- = o i a 1 + a% a2 + . . . a/y aN•

»-1

P o za tym przyjmujemy tzw . geometryczny układ jednostek: stała graw ita­ cyjna k - 1, oraz prędkośd ś w ia tła c = 1. O d tej zasady odstępujem y, gdy występowanie tych stałych ma istotne znaczenie, np. dla stosowanych przybli­ żeń czy rozw inięd.

2. O G Ó L N E WŁASNOŚCI P O L A G RA W IT A C Y JN E G O

Zarówno w newtonowskiej ja k i einsteinow skiej teorii graw itacji funda­ m entalną rolę odgrywa zasada rów now ażności. W teorii Newtona sk ła d a ją s ię na n ią dwa następujące tw ierdzenia:

A) R ów nanie ruchu sferycznie symetrycznej c ząstk i próbnej w polu grawita­ cyjnym nie za le ży od jej masy i składu. (C ząstk ę nazywamy próbną, gdy zaniedbujem y wytwarzane przez n ią pole graw itacyjne). Z tw ierdzenia tego wynika, że:

masa in ercjalna = bierna masa graw itacyjna

P ro m ien io w a n ie gra w ita cyjn e 133

B ie rn a m a sa g r a w ita c y jn a j e s t to m a s a w y s t ę p u j ą c a we w z o r z e na s i ł ę :

F = - m p V * . (3)

g d z ie $ j e s t new tonowskim po te n cja łe m g raw itacyjn ym . Jak wiadomo ró w no ść m a sy g r a w ita c y jn e j i in e rc ja ln e j p o tw ierd zona z o s t a ł a p r z e z d o ś w i a d c z e n i e z d o k ła d n o ś c ią do 1 0 -10.

B ) K a ż d y rodzaj materii p o d le g a oddziaływ aniom g raw itacyjnym i sam w y t w a r z a po le g r a w ita c y jn e . Z tw ie r d z e n ia te go i z III z a s a d y N e w to n a w y ­ nika, ż e :

bierna m asa g r a w it a c y jn a = c z yn n e j m a sie g r a w ita c y jn e j

m p = m A , (4)

g d z ie wą j e s t m a s ą w y s t ę p u j ą c ą w e w z o r z e na p o t e n c j a ł n ew ton ow ski:

K m,4

<D --- . (5)

r

T a k w i ę c w te o rii g r a w ita c ji mamy w końcu do c z y n i e n i a t y lk o z je d n ą m a s ą n ie z a l e ż n ą . J e ś l i powiem y i n a c z e j , ź e m a s a in e rc ja ln a j e s t równa ład u n kow i graw itacyjn em u, to od razu w id ać r ó ż n ic ę m ie d zy t e o r i ą g r a w ita c ji

a elektrodynam iką.

A b y w y ja ś n i ć z n a c z e n i e z a s a d y r ó w n o w a ż n o ś c i, rozpatrzm y n a s t ę p u ją c y cyk l eksperym entów, w ktdrych główną, rolę grać b ę d z ie zam knięty w w in d zie f i z y k w y p o s a ż o n y je d y n ie w monetę lub monety (winda w y s t ę p u je tu z e w zg lę du

na t r a d y c ję — z o s t a ł a wprowadzona p r z e z E i n s t e i n a ) .

D o ś w ia d c z e n ie I — U m ie s z c z a m y windę w r a k i e c i e i p o s y ła m y j ą daleko od w s z e l k i c h pól c i ą ż e n i a , a n a s t ę p n ie nadajemy j e j (ra k ie c ie ) p r z y s p i e s z e ­ nie równe ziem skiem u g , d z i a ł a j ą c e w kierunku prostopadłym do po dło gi w in d y . F i z y k w y p u s z c z a d e lik a tn ie monetę z ręki (tak, b y je j p r ę d k o ś ć p o c z ą t ­ k o w a b y ła równa 0) i o b s e r w u je , że sp ad a ona na p o d ło gę z p r z y s p ie s z e n ie m g. D o ś w i a d c z e n i e II — W yłączam y s iln ik i r a k ie t y , f i z y k ponownie w y p u s z c z a monetę z ręki i w i d z i , ż e n i e z m ie n ia o n a p o ło ż e n ia .

D o ś w ia d c z e n ie III — Windę u m ie s z c z a m y na p o w ie rz c h n i Z ie m i — fiz y k o b se rw u je s p ad a n ie monety z p r z y s p i e s z e n ie m g.

D o ś w i a d c z e n i e IV — Windę w p u s z c z a m y do p u stego s z y b u , bardzo g łę b o ­ k i e g o , tak że sp ada ona w kierunku środka Ziem i. Moneta s p a d a ją c wraz z w in­

d ą p o z o s t a j e w z g lę d e m nie j w s p o c z y n k u .

N a s z f i z y k n ie m oże w i ę c r o z s t r z y g n ą ć na p o d s ta w ie ty c h d o ś w i a d c z e ń , k ie d y z n a j d o w a ł s i ę w polu g r a w itac y jn y m , a k ie d y n ie . Stwierdzam y zatem , ze z a p o m ocą lo k aln yc h d o ś w ia d c z e ń m e c h a n ic z n y c h nie s p o s ó b od ró żnić efe któ w g r a w ita c y jn y ch od in e rc ja ln y c h ( „ s i ł y g r a w i t a c y jn e j ” od „ s i ł iner­

134

A . Gołębiewslca-Lasota, J . P . Lasota

W teorii Newtona, gdzie występuje czas absolutny t, prowadzi to do mate­ matycznego wniosku, że je śli wyłączymy oddziaływania niegrawitacyjne, to

cząstki próbne poruszają się po liniach geodezyjnych (linie geodezyjne są to lin ie ekstremalne w przestrzeni; jest to uogólnienie lin ii prostych, po których poruszają się czystki swobodne w przestrzeni płaskiej, na przestrzenie za­

krzywione).

Równanie lin ii geodezyjnej zapisujemy w postaci:

d2xa dxb dxc

— + T “c --- = 0, a = 0, 1, 2, 3. (6)

dt2 bc dt dt

Pokazuje sig, że współczynniki koneksji można rozbić na dwa człony:

dt dt

r « = r ? + <t>“ — —

W

bc bc dx» dx'

o

i okazuje się, że reprezentuje siły inercjalne (odśrodkową, Coriolisa o

itp .), a • ^ “ jest s iłą grawitacyjną. W układzie odniesienia, w którym r fcca = 0 (jest to odpowiednik układu inercjalnego) i x° = t, xl = x, x2 = y, x3 = z, rów­ nanie (6) przyjmuje znaną postać:

d2x _ <9<D d2y d2z d<t>

~ (8)

dt2 d x ' dt2 d y ' dt2 <9z

Jednakże rozbicie 1"^“ na część bezwładnościową i grawitacyjną nie jest na ogół jednoznaczne, bowiem równania (8) dopuszczają następujące tran­

sformacje:

* ’ = * + a(t), (9)

*

(

10

)

gdzie o(t) jest dowolną funkcją czasu. Nie możemy więc ściśle wyznaczyć ani inercjalnego układu odniesienia, ani siły grawitacyjnej, chyba, że pole grawitacyjne znika w nieskończoności. (Ale wiadomo, że w kosmologii np. nie można zrobić takiego założenia).

Okazuje się więc, że już w teorii Newtona zasada równoważności pro­ wadzi do nieokreśloności siły grawitacyjnej, a tym samym nie pozwala na porządne określenie energii grawitacyjnej.

E i n s t e i n założył, że żadne lokalne doświadczenia nie s ą w stanie wykazać różnicy miedzy efektami grawitacyjnymi a inercialnymi P rzy jął on ,

P ro m ien io w a n ie g ra w ita cy jn e

135

że w nieobecności pola grawitacyjnego cząstki swobodne p o ru sza ją się zgod­ nie ze s z c z e g ó ln ą teorią względności. W układzie inercjalnym ruch je s t opi­ san y następującym równaniem:

d2 x

- -

o, ,1 1 )

gdzie d i — (qai) d x a - d x b) //l je s t czasem własnym c z ą stk i. W u kładzie nie- inercjalnym równanie to przyjmuje postać:

d2x a J x b j e

+ r abc — =

o, (12)

d j d t d~[

gdzie d t = (pab d x a d x b)'/<‘ a pab s ą składowymi metryki p łask ie j zapisanymi w nieinercjalnym układzie odn iesien ia. Tbc reprezentujące s iły inercjalne w y ra ż a ją s i ę następująco przez :

r

bc =

£

g a d (Sdc,b+ &db.c

-

K b c . J

(13)

( n i e ma takiej zależn ości w teorii Newtona). P o m y s ł E i n s t e i n a z grubsza biorąc sprowadza s ię do tego, że zarówno s i ł y grawitacyjne jak i inercjalne reprezentowane s ą przez , a zatem g ab je s t potencjałem pola graw itacyj­ nego a nie je s t metryką płaską. Tak więc metryka-potencjał wyzn acza pole grawitacyjne, a rozkład T £ na s ił y inercjalne i grawitacyjne nie m a już w tym schem acie żadnego sen su , co stanowi doskonałą r e a liz a c ję zasady równoważności.

Do tej z asa d y dołączamy tzw. z a sa d ę kowariantności, która mówi, że w s z y stk ie układy współrzędnych s ą sobie równoważne, j e ś l i chodzi o opis procesów fizycznych ; inaczej mówiąc równania fizyki powinny mieć charakter tensorowy, a sensowne w ielkości fizy c zn e muszą być tensorami. Wynika stąd, że „ s i ł a graw itacyjna” c nie będ ąca tensorem nie je s t dobrze określona (z tym faktem mieliśmy do czynienia także w teorii Newtona), a więc możemy s i ę spodziew ać kłopotów z określeniem energii graw itacyjnej.

W zwykłym sformułowaniu elektrodynamiki przy opisie promieniowania posługujemy s ię pojęciami strumienia energii itp. Sposób ten je s t kłopotliwy w teorii graw itacji, właśnie ze względu na trudności z pojęciem energii. Mu­ simy zatem poszukać innej w ie lk o śc i, już tensorowej, która mogłaby opisyw ać promieniowanie, i następnie znaleźć jej analogon w elektrodynamice. Wróćmy do naszegp fizy k a , dajmy mu tym razem dwie monety i umieśćmy go kolejno w poprzednio opisanych s y tu a c jac h . W przypadku pierwszym zaobserwuje on, że wypuszczone jednocześnie monety s p a d a ją równolegle na podłogę. W przy­ padku drugim stwierdzi, że pozostają one nieruchome względem sie b ie i oto­ czenia. W przypadku trzecim okaże s ię , że monety sp a d a ją po liniach

przeci-136 A. G ołębiewska-Lasota, J .P . Lasota

nających się, a więc, że ich wzajemna odległość- maleje. W przypadku czwar­ tym monety będą również zbliżać sig do siebie i to nie z powodu wzajemnego przyciągania, które zaniedbujemy, ale dlatego, że opadają razem z windą po liniach przecinających się w środku ziemi. A więc za pomocą nielokalnych doświadczeii możemy odróżnić jednorodne pole przyspieszenia od niejedno­ rodnego pola grawitacyjnego. Doświadczenia takie polegają właściwie na mierzeniu zmian pola, a nie samego pola.

Opiszmy taką sytuację w teorii Newtona. Wyobraźmy sobie dwa ciała o współrzędnych: i Xa (t) + £ “(«) (£® jest wielkością małą w porówna­ niu z X a), spadające swobodnie w polu grawitacyjnym. Równania ruchu tych

cia ł mają postać:

X <x= - ( d a Q), cc, 0 = l t 2, 3, (14)

X a + £® = - O a(I))x + ę = - ( : 9 a S>)- {jP d P d a $ . (15)

Odejmując te równania stronami otrzymujemy:

ę “ + /c®P ęf* = o, (16).

gdzie K a $ = d a d ^ 0 . Zauważmy, źe równanie pola V 2 4> = 0 oznacza po prostu, że K a a = 0 .

W teorii Einsteina ten sam przypadek swobodnego spadania dwóch ciał jest opisany równaniem podobnym do równania (16):

D2 n°

7

+ Kc° n c = o , (17)

d t

D D 2 r] a

gdzie q“ gra rolę —— oznacza pochodną absolutną, a —-—— jest

przy-d T d t

spieszeniem; K “ = R£cd ^ Vd > jest czteroprędkością, a R "cd tensorem krzywizny:

Rld = d VL

b e d c b a

rr +rc r* - ;r“ re .

a b c e c b d ed

as)

b c

Zatem tensor krzywizny daje się wyznaczyć za pomocą pomiarów fizycz­ nych; przedstawia on zmienność pola grawitacyjnego. Dlatego można się spodziewać, że będzie on spełniać równanie analogiczne do Ka a = 0, a mia­

no wi cie:

„=0-P romieniowanie grawitacyjne 137

J e s t to rów nanie pola graw itacyjnego w próżni. R bd nazywam y tensorem R iccieg o . R ów nania pola w ob ecn o ści m aterii m ają p o sta ć :

W dokumencie Postępy Astronomii nr 2/1971 (Stron 38-53)

Powiązane dokumenty