Gravitacioni talasi

Novi prozor ka univerzumu

(ANALIZA) Postali smo svedoci dva istorijska događaja: potvrde Ajnštajnove teorije i rađanja nove discipline – posmatračke gravitacione astronomije

Tekst: Darko Donevski

Postojanje gravitacionih talasa više nije misterija. Signali koje su emitovale dve interagujuće crne rupe 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 je zapravo detektovano?

Zvezde velikih masa svoje živote završavaju spektakularnim procesima kao što su eksplozije supernovih ili nastanak crnih rupa. Decenijama su naučnici verovali da bi takvi katastrofički procesi mogli da se “oslušnu” ukoliko bi se detektovali gravitacioni talasi. Ajnštajn je bio prvi koji je 1916. predvideo njihovo postojanje  – definisao ih je kao oscilujuće poremećaje u geometriji prostor-vremena.

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.

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 uzmemo u obzir navedeno poređenje 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.

Signal GW150914 

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).

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. 

Treba istaći da je ova detekcija prva direktna detekcija gravitacionog talasa. Nobelova nagrada je već dodeljena za indirektno otkriće Hulsu i Tejloru, koji su 1974. godine analizirali smanjenje perioda orbite dvojnog pulsara i pokazali savršeno poklapanje sa predviđanjima Ajnštajnove teorije, koja je objašnjenje tog orbitalnog poremećaja davala upravo u gravitacionom zračenju. Rad dvojice naučnika značio je veliki podstrek da se binarni sistemi istražuju u budućnosti sa još većom preciznošću.

Ko je Feliks Pirani?

Nekoliko decenija unazad, otkriće gravitacionih talasa činilo se nezamislivim. Ne toliko zbog tehnoloških ograničenja, već zbog debata u naučnim krugovima, gde se otvoreno pitalo da li takvi talasi uopšte mogu da prenose bilo kakvu energiju. Prelomni momenat se dogodio 1957. godine kad je na scenu stupila ličnost svakako najznačajnija što danas slušamo vesti o fantastičnom otkriću. Njegovo ime je 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.

Interesantan momenat nastupio je 1969. godine kada je američki fizičar Veber objavio da je uspešno detektovao signal pomoću svog rezonantnog detektora. Naučna zajednica je vremenom postajala sve više skeptična, jer nijedna druga detekcija nije potvrđena, da bi krajem 70-ih godina i definitivno odbacila Veberovo potencijalno otkriće.

Ideje o izgradnji interferometra koji bi imao namenu da uspešno uhvati gravitacioni talas počele su početkom 80-ih, inicirane entuzijazmom velikih imena fizike poput Kipa Torna, Ričarda Fajnmana i Ronalda Drevera. Krajem 2014. godine, bilo je naznaka da je tim okupljen oko projekta BICEP-2 uspeo da detektuje primordijalne gravitacione talase.

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.

Zbog svega navedenog, potpuno je 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.

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.

Specijal 

GRAVITACIONI TALASI

Istražite više o otkriću veka u seriji priloga na “Elementarijumu”:

Istražite druge tekstove:


Grb Republike Srbije
ecsite nsta eusea astc

CPN
Ulica kralja Petra 46
11000 Beograd
Republika Srbija
+381 11 24 00 260
centar@cpn.rs