(АНАЛИЗА) Постали смо сведоци два историјска догађаја: потврде Ајнштајнове теорије и рађања нове дисциплине – посматрачке гравитационе астрономије

Текст: Дарко Доневски

Постојање гравитационих таласа више није мистерија. Сигнали које су емитовале две интерагујуће црне рупе детектовани су и потврђени први пут у историји науке. На тај начин постали смо сведоци два важна догађаја: потврде предвиђања Ајнштајнове Опште теорије релативности, али и рађања нове астрономске дисциплине – посматрачке гравитационе астрономије.

Шта је заправо детектовано?

Звезде великих маса своје животе завршавају спектакуларним процесима као што су експлозије супернових или настанак црних рупа. Деценијама су научници веровали да би такви катастрофички процеси могли да се “ослушну” уколико би се детектовали гравитациони таласи. Ајнштајн је био први који је 1916. предвидео њихово постојање  – дефинисао их је као осцилујуће поремећаје у геометрији простор-времена.

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.

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 узмемо у обзир наведено поређење 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.

Сигнал GW150914 

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).

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. 

Треба истаћи да је ова детекција прва директна детекција гравитационог таласа. Нобелова награда је већ додељена за индиректно откриће Хулсу и Тејлору, који су 1974. године анализирали смањење периода орбите двојног пулсара и показали савршено поклапање са предвиђањима Ајнштајнове теорије, која је објашњење тог орбиталног поремећаја давала управо у гравитационом зрачењу. Рад двојице научника значио је велики подстрек да се бинарни системи истражују у будућности са још већом прецизношћу.

Ко је Феликс Пирани?

Неколико деценија уназад, откриће гравитационих таласа чинило се незамисливим. Не толико због технолошких ограничења, већ због дебата у научним круговима, где се отворено питало да ли такви таласи уопште могу да преносе било какву енергију. Преломни моменат се догодио 1957. године кад је на сцену ступила личност свакако најзначајнија што данас слушамо вести о фантастичном открићу. Његово име је 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.

Интересантан моменат наступио је 1969. године када је амерички физичар Вебер објавио да је успешно детектовао сигнал помоћу свог резонантног детектора. Научна заједница је временом постајала све више скептична, јер ниједна друга детекција није потврђена, да би крајем 70-их година и дефинитивно одбацила Веберово потенцијално откриће.

Идеје о изградњи интерферометра који би имао намену да успешно ухвати гравитациони талас почеле су почетком 80-их, инициране ентузијазмом великих имена физике попут Кипа Торна, Ричарда Фајнмана и Роналда Древера. Крајем 2014. године, било је назнака да је тим окупљен око пројекта BICEP-2 успео да детектује примордијалне гравитационе таласе.

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.

Због свега наведеног, потпуно је 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.

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.

Специјал 

ГРАВИТАЦИОНИ ТАЛАСИ

Истражите више о открићу века у серији прилога на “Елементаријуму”:

Дарко Доневски
12.02.16.
подели
повезано
Кратка историја гравитационих таласа
Како ради ЛИГО?