Nauka
Sada čitate
Vodič kroz otkriće gravitacionih talasa

Postojanje gravitacionih talasa više nije misterija. Signali koji su emitovani u sudaru dve crne rupe, udaljene 1,3 milijarde kilometara od Zemlje, detektovani su i potvrđeni prvi put u istoriji nauke. Na taj način postali smo svedoci dva važna događaja: potvrde predviđanja Ajnštajnove Opšte teorije relativnosti, ali i rađanja nove astronomske discipline – posmatračke gravitacione astronomije.

Šta se zapravo desilo?

Sada već istorijskog dana 11.februara 2016. godine, tim naučnika sa američkog eksperimenta LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory), zajedno sa saradnicima iz Evrope (VIRGO interferometar u Italiji), objavio naučni rad u kojem pokazuju svoje veliko otkriće – detekciju gravitacionog talasa nastalog usled interakcije dve crne rupe od oko 30, odnosno 35 sunčevih masa.One su orbitirale jedna oko druge nekoliko stotina miliona godina pre nego što su postale dovoljno blizu da povećaju svoj momenat i ubrzaju rotaciju.

Ovo je vrlo važno napomenuti, jer da bi gravitacioni talasi proizveli signal koji je moguće snimiti, izvori koji ga stvaraju moraju biti kompaktni objekti sa brzinama bliskim brzini svetlosti. Na osnovu toga kolika je jačina detektovanog signala i koliki je intenzitet talasa u trenutku njihovog nastanka (a to Opšta teorija relativnosti predviđa isključivo na osnovu geometrije univerzuma!) naučnici su izračunali da je posmatrani sistem crnih rupa na udaljenosti većoj od milijardu svetlosnih godina od nas.

Ako se uporede sa elektromagnetnim talasima, može se reći da su gravitacioni talasi takođe zastupljeni na svim talasnim dužinama, i da se kreću brzinom svetlosti. Koliko će talasa biti na nekoj frekvenciji zavisi od brojnosti i intenziteta procesa koji ih stvaraju. Gravitacioni talasi mogu biti stvoreni međusobnim dejstvom vrlo masivnih objekata, ali mogu biti stvoreni i usled fluktuacija u ranom svemiru.

Opšta teorija relativnosti

Priča počinje od Alberta Ajntšajna. Pošto je nakon objavljivanja Specijalne teorije relativnosti napravio pauzi od par godina, Ajnštajn se vratio ovoj temi 1911. člankom u časopisu Annalen der Physik, gde je prepoznao potrebu za teorijom koja bi objedinila specijalnu relativnost i Njutnovu teoriju gravitacije.

Do 1916. godine, posle niza pretpostavki, prepravki, i razmene ideja sa nekim od vodećih fizičara svog vremena, Ajnštajn je bio zadovoljan novonastalom Teorijom opšte relativnosti. Pružala je objašnjenje gravitacije kao iskrivljenje prostor-vremena, kao i eksperimentalno proverljive jednačine.

Fotografija Alberta Ajnštajna iz 1921.

Fotografija Alberta Ajnštajna iz 1921.

Teorija opšte relativnosti se mnogo puta od tada pokazala tačnom. Međutim, sa sobom je nosila i probleme, od kojih je jedan bio postojanje gravitacionih talasa. Nauka ih prvi put susreće 1916, u jednom od Ajnšatjnovih članaka o opštoj relativnosti, gde se javljaju kao prirodna posledica delovanja gravitacije. Oni ”ispadaju” iz jednačina koje je on ponudio, ali sam Ajnštajn nije bio siguran u njihovo postojanje.

Najsmelije predviđanje u skladu sa njihovim postojanjem bilo je da oni imaju osobine talasa i prenose energiju gravitacionim zračenjem. Nešto slično već poznajemo u vidu elektromagnetnih talasa, ali je suštinska razlika ta što se oni kreću u prostor-vremenu, dok su gravitacioni talasi posledica promena samog prostor-vremena. Međutim, prošlo je tačno 100 godina od tog predviđanja a detekcija se nije desila.

Problemi sa detekcijom

Naučna zajednica je dugo delila Ajnštajnovu nesigurnost vezanu za gravitacione talase. Neki naučnici su ih smatrali samo matematičkim artefaktom jednačina; drugi potencijalnom fizičkom pojavom, ali bezmalo nemogućom za detektovanje. Naime, gravitacioni talasi su talasi samog prostor-vremena sa neverovatno malim amplitudama, koji se prirodno gube u gužvi ”bučnijih” prirodnih pojava.

Može se reći da se prelomni momenat, koji je i doveo do otkrića o kojem danas pričamo, dogodio 1957. godine kad je na scenu stupio Feliks Pirani. Ovaj engleski fizičar je shvatio način na koji bi plimske sile – zamislite to kao procese udisaja i izdisaja čitavog univerzuma – u Opštoj teoriji relativnosti mogle da daju fizički smislen signal, dovoljno jak da se može detektovati sa Zemlje. Nažalost, Pirani je poslednjeg dana 2015. godine preminuo u svojoj 87.godini, ne dočekavši tako potvrdu svojih dugogodišnjih napora.

Detektovanje gravitacionih talasa zahteva izrazito precizan istrument, koji decenijama nakon Ajnštajna nije bio čak ni osmišljen, a kamoli isproban. Jedan od prvih proboja u tom polju pravi Džozef Veber, američki fizičar, sa svojom kasnije čuvenim mašinama sastavljenom od aluminijumskih cilindara i antena. Tokom 60-tih godina prošlog veka, više puta je tvrdio da su njegove mašine detektovale gravitacione talase.

Danas se zna da Veber nije bio u pravu, i da je pogrešno identifikovao pozadinske šumove koje su mašine pravile. Međutim, njegovi pokušaji su doveli do ponovnog interesovanja za gravitacione talase i opštu relativnost – period koji Kip Torn, jedan od tvoraca LIGO-a, zove ”zlatnim dobom opšte relativnosti”, otprilike do 1975. godine. U ovo vreme došlo je do nekih ključnih astronomskih opservacija.

Šematski prikaz LIGO detektora

Šematski prikaz LIGO detektora

Efekat koji su naučnici tražili je jedinstveno svojstvo plesa gravitacionih talasa – da “skupe” univerzum u jednom pravcu tako da izgleda topliji na mapi kosmičke pozadine, a u drugom smeru da razvuku prostor, što na mapi oslikavaju hladnija mesta. Teškoća u analizi ovakvih efekata je ogromna jer se radi o razlikama u temperaturi manjim od sto hiljaditog dela Kelvina! Nažalost, podaci koje su naučnici predstavili pokazali su se nedovoljno validnim.

Možda najvažniju među opservacijama izvršili su Džozef Tejlor i njegov student, Rasel Alan Huls, 1974. godine. Koristeći radio teleskop u Aresibo opservatoriji u Portoriku, njih dvojica su otkrili prvi binarni pulsar, u kom pulsar  ima zvezdu-saputnika, najčešće još jednu neutronsku zvezdu. Promene u rotaciji pulsara savršeno su se uklapale u predviđanja koja su nudile Ajnštajnove jednačine o gravitacionim talasima.

Prvi put u istoriji, gravitacioni talasi su bili otkriveni – ali samo posredno, kroz posledice na ponašanje dveju zvezda. Krajem 60-tih i tokom 70-tih, Rajner Vejs sa MIT-a, heroj dana kao jedan od mozgova iza LIGO tehnologije, prvi put je počeo da se bavi mogućnostima detekcije gravitacionih talasa koristeći laserski interferometar.

Konačno otkriće

Detektor gravitacionih talasa je ništa drugo do antena podešena da “čuje” talase na onoj frekvenciji koja najviše “obećava”. Kolika je onda talasna dužina zračenja koje je LIGO detektovao? Upravo onoliko kolika je i dimenzija celog sistema – dakle, nekoliko hiljada kilometara!

Signal nazvan GW150914 snimljen je 14. septembra 2015. godine, svega nekoliko meseci nakon što su obnovljeni LIGO detektori ponovo pušteni u rad nakon dvogodišnje pauze i postavke novih, osetljivijih instrumenata. Oba LIGO uređaja su u SAD-u, jedan detektor se nalazi u Livingstonu, dok je drugi smešten u Hanfordu. Razdvojeni su 3000 km. Suština njihove konstrukcije je da koriste lasere kako bi merili interferenciju nastalu prolaskom potencijalnog gravitacionog signala kroz ravan detektora (tačno pod pravim uglom u odnosu na sistem).

LIGO detektor u Livingstonu

LIGO detektor u Livingstonu

Preciznost detektora je izuzetna, ali problem predstavlja šum koji izazivaju seizmički talasi, i termalno zračenje. Šum koji Svemir poseduje i koji mnogo jače zrači od gravitacionog šuma. Efekat je sličan kao kada biste stajali u centru najprometnije ulice u Beogradu i pevali “Devojko mala” očekujući da vas čuje neko u Novom Sadu. Takođe, još mnogo drugih efekata otežava merenja, poput galaktičke prašine ili zračenja jakih radio-galaksija.

Zato je potpuno fascinantan podatak o poklapanju amplitude i faze detektovanog LIGO signala sa predviđanjima teorije gravitacije. Izmereni signal imao je poverenje detekcije od 5 sigma, što u nauci označava gotovo nepobitni dokaz da je izvor stvaran a detekcija uspešna. Naučnici su iz podataka procenili da je 4.6% energije koji je proizveo dvojni sistem crnih rupa izračeno kroz gravitacione talase.

Jedno od najvažnijih testiranja koje će fizičari u skoroj budućnosti uraditi sa ovim podacima biće ošto preciznij određivanje granične mase gravitona – hipotetičke kvantne čestice koja je prenosnik gravitacione sile. Ne zaboravite, ona je jedina nedostajuća od svih poznatih fundamentalnih interakcija koje poznajemo u prirodi.

Zvuk crnih rupa

Otkriće gravitacionih talasa prati niz zanimljivosti. Jedna od njih je i mogućnost da ovo kretanje kroz samo tkanje prostor-vremena poteklo od dve crne rupe – čujemo.

Zvuk se, naravno, ne prostire kroz svemir, ali je moguće generisati zvučni talas koji bi odgovarao gravitacionim talasima. Naime, LIGO kolaboracija je objavila ”zvuke sudara dve crne rupe”.

Frekvencije  gravitacionih talasa su pretvorene u zvučne talase i dobijen je zvuk koji fizičari nazivaju čirp. Ton i jačina zvuka se menjaju sa promenom brzine kojom crne rupe kruže jedna oko druge.

Gravitacioni teleskopi

Živimo u vremenu velikih naučnih kolaboracija. Primera radi, samo na LIGO eksperimentu angažovano je više od hiljadu naučnika i inženjera. Broj instituta sa kojeg dolaze autori koji su potpisani na publikaciji objavljenoj danas u časopisu Physical Review Letters je veći od sto. Seminari o budućoj ekspanziji gravitacione astronomije održani su prethodnih dana u Francuskoj i SAD.

Zaista, mreža zemaljskih detektora koji će sa sve većom rezolucijom i osetljivošću (povećana i do 20 puta za niske radio frekvencije) počinjati da se širi Evropom (Advanced Virgo), Japanom (KARGA) i između Amerike i Indije (Advanced LIGO), činiće moćne resurse u razumevanju nastanka našeg univerzuma. Evropa i Australija planiraju da svoje radio teleskope umreže kroz projekat praćenja pulsara.

Naučnici su spremni da detektore pošalju i u orbitu, pa se tako planira veliki poduhvat nazvan eLISA (Evolved Laser Interferometer Space Antenna). Njega će podržati Evropska svemirska agencija (ESA) i trebalo bi da ima dovoljnu preciznost da zabeleži ne samo gravitacione talase, već i spekulativne objekte poput kosmičkih struna. Svakako da je otkriće gravitacionih talasa istovremeno i rađanje novih trendova u nauci 21. veka.

Tehnološkim inovacijama poput LIGO detektora, u bliskoj budućnosti ćemo moći da “čujemo” ono što smo do sada mogli samo da “vidimo” preko klasičnih teleskopa. Iz ove perspektive posmatran, nije daleko ni dan kada ćemo shvatiti šta se dešavalo u prvim trenucima nakon Velikog praska, kao ni odgovor na pitanje šta će se u budućnosti dešavati sa crnim rupama. Koliko su česte interakcije među njima, i da li one isparavaju u nekom trenutku razvoja našeg kosmosa, prostor-vremena koje se ubrzano širi.

Izvor: Elementarijum

O autoru
TajmLajn