Астрономија

Еволуција открића гравитационих таласа

Схватити да се у свемиру одиграва нешто што је моделима предвиђено десетинама, па и стотинама година раније, представља сам врхунац разумевања природе и њених закона

Текст: Дарко Доневски

У свемиру је смрт звезданих објеката много више од тихог краја. Масивне звезде умиру спектакуларно. У зависности од њихове почетне масе оне могу да узрокују колапс у црну рупу или да експлодирају попут супернове.

Када је један од два интерферометра за хватање гравитационих таласа прошле године објавио велико откриће о детекцији малих осцилација простор-времена предвиђених Ајнштајновом општом теоријом релативности, многи научници били су оптимистични да ће убрзо такви догађаји бити детектовани рутински. Схватити да се у свемиру одиграва нешто што је моделима предвиђено дестинама па и стотинама година раније представља сам врхунац разумевања природе и њених закона.

Алберт Ајнштајн није имао помоћ рачунара када је пре 101 годину написао да треба размотрити постојање гравитационих таласа. LIGO детектор (Advanced Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) забележио је прошле године иницијални гравитациони сигнал настао сударом црних рупа, о чему је већ било речи на Елементаријуму.

Са таласном дужином од неколико стотина до неколико хиљада километара, детектор LIGO је тако ушао у историју као први уређај који нам је омогућио да „чујемо“ таласање свемира. Нобелов комитет је већ ове године препознао вредност истраживања које су спровели пионири гравитационе астрономије Вајс, Бериш и Торн, доделивши им највеће признање за изузетан допринос развоју науке. Међутим, иако се Нобелова награда до сада обично додељивала за пионирска истраживања којима је требало дуго времена да буду адекватно препозната у јавности, у случају гравитационих таласа то није био случај.

Две интерагујуће црне рупе чији је свемирски танго снимио LIGO довеле су до тога да боље разумемо гравитацију, али и да покажу колико је важно отпочети брз пробој у новој грани астрономије, како са технолошког тако и са теоријског аспекта. У случају гравитационе астрономије, научницима није било превише тешко да схвате која је то најважнија будућа мета коју треба поставити – судар неутронских звезда.

Ново поглавље

Историјски научни тренутак догодио се и када су астрономи успели да детектују гравитациони талас проузрокован сударом неутронских звезда. И не само то, већ су успели да први пут виде исти феномен оптичким телескопом. Уколико замислите универзум као тихо место, онда су судари неутронских звезда епски спектакли у којима се чују фанфаре.

Неутронске звезде су све оно што је потребно за добру, „свемирску, гравитациону акцију“. Оне су последица еволутивног краја (смрти) масивних звезда. Од некада масивне и велике звезде остало је мало, готово огољено, ужарено језгро које у пречнику није веће од Београда. Међутим, електронски гас је сабијен до те мере да маса једног оваквог објекта превазилази масу нашег Сунца. 

За детекцију гравитационих таласа неопходно је да догађај буде што енергичнији – због тога су физичари претпоставили да би снимак међудејства двеју неутронских звезда у више електромагнетних фреквенција могло да буде нешто за чим наука дуго трага. Наиме, одраније је познато да се електромагнетни таласи простиру у простор-времену, док је за разлику од њих гравитациони талас последица самог простор-времена.

Како црну рупу не можемо директно да посматрамо, астрономи су се фокусирали на неутронске звезде. Уколико би лоцирали довољно масивни систем способан да узрокује гравитациони талас, то би значило да би и електромагнетни запис тог догађаја био изводљив. Заправо, могли бисмо да добијемо директну слику катаклизмичког догађаја који још нико никад није фотографисао.

Будући да је свемир огроман (махом „празан“) простор испуњен милионима галаксија чију еволуцију наука још не разуме довољно, научници морају да направе врло добре процене за сваки редак догађај – један од њих је поменути судар неутронских звезда.

GW170817

Тачно 17. августа ове године забележен је судар две неутронске звезде; догађај који је у каталозима означен као GW170817. Катаклизмички сусрет две неутронске звезде ухваћен је комбинованим системом најсавременијих детектора. LIGO и Virgo, заједнички су „маркирали“ сигнал. Потврда да је заиста реч о судару неутронских звезда дошла је са још једног телескопа. Из астрофизике је познато да таква експлозија треба да ослободи значајне количине гама зрака.

Свега две секунде након гравитационог „бљеска“, свемирски телескоп Ферми „уловио“ је гама бљесак. Млаз тако високе енергије недвосмислено је одговорио на питање шта је био узрок гравитационог сигнала. Такође, са овом потврдом научници сада и дефинитивно знају да је један од узрочника кратких гама бљескова интеракција неутронских звезда. 

Тимови астронома су се „бацили“ у потрагу за оптичким снимком извора ове експлозије. Звонили су телефони на разним крајевима света, научници су окретали велике телескопе на свим континентима са једним јединим задатком – да сниме извор експлозије у оптичком делу спектра. Потрага није била једноставна. Након што је смањен број потенцијалних галаксија у којима се експлозија догодила, астрономи су морали да чекају неколико сати да би прецизно одредили место бљеска.

За мање од дана, после детекције гравитационог, дошла је најзад и дуго очекивана потврда о оптичком сигналу. Сараднички тим астронома са Санта Круз универзитета у Сједињеним Америчким Државама, анализирао је пристигле телескопске податке маркирајући први оптички траг за GW170817. Судар је лоциран у елиптичној галаксији NGC4993. На десној страни слике презентованој у раду који су написали Фоули и колеге, види се отисак експлозије. На снимку истог места неколико месеци раније, тај отисак није постојао. Поред оптичког, астрономска заједница јавности на увид је презентовала и снимке у ултраљубичастом и блиском-инфрацрвеном делу спектра.

Иако су астрономи потајно веровали да ће ослушнути гравитациони сигнал из сударајућих неутронских звезда, то није нимало једноставно јер неутронске звезде маса 1-2 сунчеве масе производе много слабији гравитациони сигнал него црне рупе. Симулације које су показивале како тај догађај треба да изгледа, заједно са свим пропратним ефектима. Један од тих ефеката је и утицај експлозије на прављење тежих хемијских елемената, попут злата, платине или уранијума.

Експлозија елемената

Мистерија одакле у свемиру потичу елементи тежи од гвожђа добила је и свој одговор. Aстрономи су успели да својим симулацијама предвиде како ће изгледати оптички запис судара неутронских звезда. То су учинили узимајући у обзир расподелу хемијских елемената. Занимљиво је да стваран однос тих елемената насталих након експлозије нису знали. Анализа експлозије помоћу снимака у видљивом делу спектра потврдила је да се теоријска предвиђања готово савршено поклапају са посматрањима. Неколико дана након великог открића највећи научни часописи били су буквално преплављени радовима LIGO/Virgo колаборације.

Велики број тих радова анализира управо модел настајања тежих хемијских елемената. Спекулације да генеза тежих хемијских елемената може да се уочи кроз силовите експлозије неутронских звезда није нова идеја – оригинално она датира још из осамдесетих година прошлог века. Међутим, тек са развојем гравитационе астрономије, стара идеја добила је ново рухо. Научници са Берклија добили су прилику да примене метод којим би у једном „даху“ могли да открију две ствари: гравитациони талас и слику његовог извора.

Водоник и хелијум, два најлакша природна хемијска елемента, настала су као последица Великог праска. Због тога се водоник и хелијум називају још и примордијални елементи. Остали елементи су настали као последица еволуције звезда, у фузионим процесима. Прављење тешких елемената (нпр. тежим од гвожђа) захтева посебне услове у којима су атоми непрекидно изложени бомбардовању многобројних неутрона у простору.

У нуклеарној физици тај процeс је познат под именом „захват неутрона“ или r-процес (r је од енглеске речи rapid, што значи убрзан, брз). Иако теоријски претпостављени, до октобра ове године чекало се и на посматрачки доказ на питање – каква средина у свемиру треба да буде да би створила сребро, злато, платину или живу? Симулација коју су у августу ове године направили Џенифер Барнс и Ден Кејсен са Берклија, изненадила је својом прецизношћу. Моделовати нешто што никада није виђено захтева огроман труд и имагинацију. 

Када је експлозија у раној фази, њена посматрана светлост је плава јер њом доминирају лакши хемијски елементи којима треба мање времена да се синтетишу. Међутим, светлост временом постаје црвенија услед стварања тежих хемијских елемената. Ослобођени лакши радиоактивни метеријал креће се бризном од скоро трећине брзине светости, док се млаз са тежим хемијским елементима (они који узрокују ефекат „поцрвењења“ на снимцима) крећу спорије, остварујући брзину 10-15 одсто од брзине светлости. Остаци судара масивних неутронских звезда тако представљају непроцењив материјал за научнике. Ради се о правој лабораторији у којој је могуће испитивати микс племенитих метала и радиоактивних елемената.

Истражите друге текстове:


Grb Republike Srbije
ecsite nsta eusea astc

ЦПН
Улица краља Петра 46
11000 Београд
Република Србија
+381 11 24 00 260
centar@cpn.rs