Наука

Водич кроз откриће гравитационих таласа

Шта се заправо десило? Сада већ историјског дана 11.фебруара 2016. године, тим научника са америчког експеримента LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory), заједно са сарадницима из Европе (VIRGO интерферометар у Италији), објавио научни рад у којем показују своје велико откриће – детекцију гравитационог таласа насталог услед интеракције две црне рупе од око 30, односно 35 сунчевих маса.Оне су орбитирале једна око друге неколико стотина милиона година пре него што су постале довољно близу да повећају свој моменат и убрзају ротацију. Ово је врло важно напоменути, јер да би гравитациони таласи произвели сигнал који је могуће снимити, извори који га стварају морају бити компактни објекти са брзинама блиским брзини светлости. На основу тога колика је јачина детектованог сигнала и колики је интензитет таласа у тренутку њиховог настанка (а то Општа теорија релативности предвиђа искључиво на основу геометрије универзума!) научници су израчунали да је посматрани систем црних рупа на удаљености већој од милијарду светлосних година од нас. Ако се упореде са електромагнетним таласима, може се рећи да су гравитациони таласи такође заступљени на свим таласним дужинама, и да се крећу брзином светлости. Колико ће таласа бити на некој фреквенцији зависи од бројности и интензитета процеса који их стварају. Гравитациони таласи могу бити створени међусобним дејством врло масивних објеката, али могу бити створени и услед флуктуација у раном свемиру.

Општа теорија релативности

Прича почиње од Алберта Ајнтшајна. Пошто је након објављивања Специјалне теорије релативности направио паузи од пар година, Ајнштајн се вратио овој теми 1911. чланком у часопису Annalen der Physik, где је препознао потребу за теоријом која би објединила специјалну релативност и Њутнову теорију гравитације. До 1916. године, после низа претпоставки, преправки, и размене идеја са неким од водећих физичара свог времена, Ајнштајн је био задовољан новонасталом Теоријом опште релативности. Пружала је објашњење гравитације као искривљење простор-времена, као и експериментално проверљиве једначине. [caption id="attachment_5771" align="aligncenter" width="780"]

Фотографија Алберта Ајнштајна из 1921.[/caption] Теорија опште релативности се много пута од тада показала тачном. Међутим, са собом је носила и проблеме, од којих је један био постојање гравитационих таласа. Наука их први пут сусреће 1916, у једном од Ајншатјнових чланака о општој релативности, где се јављају као природна последица деловања гравитације. Они ”испадају” из једначина које је он понудио, али сам Ајнштајн није био сигуран у њихово постојање. Најсмелије предвиђање у складу са њиховим постојањем било је да они имају особине таласа и преносе енергију гравитационим зрачењем. Нешто слично већ познајемо у виду електромагнетних таласа, али је суштинска разлика та што се они крећу у простор-времену, док су гравитациони таласи последица промена самог простор-времена. Међутим, прошло је тачно 100 година од тог предвиђања а детекција се није десила.

Проблеми са детекцијом

Научна заједница је дуго делила Ајнштајнову несигурност везану за гравитационе таласе. Неки научници су их сматрали само математичким артефактом једначина; други потенцијалном физичком појавом, али безмало немогућом за детектовање. Наиме, гравитациони таласи су таласи самог простор-времена са невероватно малим амплитудама, који се природно губе у гужви ”бучнијих” природних појава. Може се рећи да се преломни моменат, који је и довео до открића о којем данас причамо, догодио 1957. године кад је на сцену ступио Феликс Пирани. Овај енглески физичар је схватио начин на који би плимске силе – замислите то као процесе удисаја и издисаја читавог универзума – у Oпштој теорији релативности могле да дају физички смислен сигнал, довољно јак да се може детектовати са Земље. Нажалост, Пирани је последњег дана 2015. године преминуо у својој 87.години, не дочекавши тако потврду својих дугогодишњих напора. Детектовање гравитационих таласа захтева изразито прецизан иструмент, који деценијама након Ајнштајна није био чак ни осмишљен, а камоли испробан. Један од првих пробоја у том пољу прави Џозеф Вебер, амерички физичар, са својом касније чувеним машинама састављеном од алуминијумских цилиндара и антена. Током 60-тих година прошлог века, више пута је тврдио да су његове машине детектовале гравитационе таласе. Данас се зна да Вебер није био у праву, и да је погрешно идентификовао позадинске шумове које су машине правиле. Међутим, његови покушаји су довели до поновног интересовања за гравитационе таласе и општу релативност – период који Кип Торн, један од твораца LIGO-а, зове ”златним добом опште релативности”, отприлике до 1975. године. У ово време дошло је до неких кључних астрономских опсервација. [caption id="attachment_5770" align="aligncenter" width="1024"]

Шематски приказ LIGO детектора[/caption] Ефекат који су научници тражили је јединствено својство плеса гравитационих таласа – да “скупе” универзум у једном правцу тако да изгледа топлији на мапи космичке позадине, а у другом смеру да развуку простор, што на мапи осликавају хладнија места. Тешкоћа у анализи оваквих ефеката је огромна јер се ради о разликама у температури мањим од сто хиљадитог дела Келвина! Нажалост, подаци које су научници представили показали су се недовољно валидним. Можда најважнију међу опсервацијама извршили су Џозеф Тејлор и његов студент, Расел Алан Хулс, 1974. године. Користећи радио телескоп у Аресибо опсерваторији у Порторику, њих двојица су открили први бинарни пулсар, у ком пулсар има звезду-сапутника, најчешће још једну неутронску звезду. Промене у ротацији пулсара савршено су се уклапале у предвиђања која су нудиле Ајнштајнове једначине о гравитационим таласима. Први пут у историји, гравитациони таласи су били откривени – али само посредно, кроз последице на понашање двеју звезда. Крајем 60-тих и током 70-тих, Рајнер Вејс са MIT-а, херој дана као један од мозгова иза LIGO технологије, први пут је почео да се бави могућностима детекције гравитационих таласа користећи ласерски интерферометар.

Коначно откриће

Детектор гравитационих таласа је ништа друго до антена подешена да “чује” таласе на оној фреквенцији која највише “обећава”. Колика је онда таласна дужина зрачења које је LIGO детектовао? Управо онолико колика је и димензија целог система – дакле, неколико хиљада километара! Сигнал назван GW150914 снимљен је 14. септембра 2015. године, свега неколико месеци након што су обновљени LIGO детектори поново пуштени у рад након двогодишње паузе и поставке нових, осетљивијих инструмената. Оба LIGO уређаја су у САД-у, један детектор се налази у Ливингстону, док је други смештен у Ханфорду. Раздвојени су 3000 км. Суштина њихове конструкције је да користе ласере како би мерили интерференцију насталу проласком потенцијалног гравитационог сигнала кроз раван детектора (тачно под правим углом у односу на систем). [caption id="attachment_5773" align="aligncenter" width="1024"]

LIGO детектор у Ливингстону[/caption] Прецизност детектора је изузетна, али проблем представља шум који изазивају сеизмички таласи, и термално зрачење. Шум који Свемир поседује и који много јаче зрачи од гравитационог шума. Ефекат је сличан као када бисте стајали у центру најпрометније улице у Београду и певали “Девојко мала” очекујући да вас чује неко у Новом Саду. Такође, још много других ефеката отежава мерења, попут галактичке прашине или зрачења јаких радио-галаксија. Зато је потпуно фасцинантан податак о поклапању амплитуде и фазе детектованог LIGO сигнала са предвиђањима теорије гравитације. Измерени сигнал имао је поверење детекције од 5 сигма, што у науци означава готово непобитни доказ да је извор стваран а детекција успешна. Научници су из података проценили да је 4.6% енергије који је произвео двојни систем црних рупа израчено кроз гравитационе таласе. Једно од најважнијих тестирања које ће физичари у скорој будућности урадити са овим подацима биће ошто прецизниј одређивање граничне масе гравитона – хипотетичке квантне честице која је преносник гравитационе силе. Не заборавите, она је једина недостајућа од свих познатих фундаменталних интеракција које познајемо у природи.

Звук црних рупа

Откриће гравитационих таласа прати низ занимљивости. Једна од њих је и могућност да ово кретање кроз само ткање простор-времена потекло од две црне рупе – чујемо. Звук се, наравно, не простире кроз свемир, али је могуће генерисати звучни талас који би одговарао гравитационим таласима. Наиме, LIGO колаборација је објавила ”звуке судара две црне рупе”. Фреквенције гравитационих таласа су претворене у звучне таласе и добијен је звук који физичари називају чирп. Тон и јачина звука се мењају са променом брзине којом црне рупе круже једна око друге. https://www.youtube.com/watch?v=egfBaUdnAyQ

Гравитациони телескопи

Живимо у времену великих научних колаборација. Примера ради, само на LIGO експерименту ангажовано је више од хиљаду научника и инжењера. Број института са којег долазе аутори који су потписани на публикацији објављеној данас у часопису Physical Review Letters је већи од сто. Семинари о будућој експанзији гравитационе астрономије одржани су претходних дана у Француској и САД. Заиста, мрежа земаљских детектора који ће са све већом резолуцијом и осетљивошћу (повећана и до 20 пута за ниске радио фреквенције) почињати да се шири Европом (Advanced Virgo), Јапаном (KARGA) и између Америке и Индије (Advanced LIGO), чиниће моћне ресурсе у разумевању настанка нашег универзума. Европа и Аустралија планирају да своје радио телескопе умреже кроз пројекат праћења пулсара. Научници су спремни да детекторе пошаљу и у орбиту, па се тако планира велики подухват назван eLISA (Evolved Laser Interferometer Space Antenna). Њега ће подржати Европска свемирска агенција (ESA) и требало би да има довољну прецизност да забележи не само гравитационе таласе, већ и спекулативне објекте попут космичких струна. Свакако да је откриће гравитационих таласа истовремено и рађање нових трендова у науци 21. века. Технолошким иновацијама попут LIGO детектора, у блиској будућности ћемо моћи да “чујемо” оно што смо до сада могли само да “видимо” преко класичних телескопа. Из ове перспективе посматран, није далеко ни дан када ћемо схватити шта се дешавало у првим тренуцима након Великог праска, као ни одговор на питање шта ће се у будућности дешавати са црним рупама. Колико су честе интеракције међу њима, и да ли оне испаравају у неком тренутку развоја нашег космоса, простор-времена које се убрзано шири. https://www.youtube.com/watch?v=wrqbfT8qcBc Извор: Елементаријум

]]>