Текст: Никола Здравковић

Прича почиње, наравно, с Ајнштајном. После паузе од неколико година, Ајнштајн се вратио теми опште релативности 1911. године, 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.

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 Ајнштајн није био сигуран у њихово постојање.

Несигурност

Научна заједница је дуго делила ову несигурност. 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.

Другим речима, 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.

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. 

Откриће

Постојало је много проблема, од којих је главни била цена таквог подухвата, али и чињеница да није била позната учесталост таласа које би такав интерферометар могао да примети. Међутим, резултати Тејлора и Хулса дали су ”ветар у леђа” оваквим покушајима. Вејс се током 70-тих година упознао са Кип Торном, чувеним астрономом и космологом са Калтека, као и са Роналдом Древером, истраживачем са универзитета у Единбургу.

Древер је био кључан приликом осмишљавања стабилизације ласерског зрака тзв. Паунд-Древер-Хол техником која је могла омогућити детектовање гравитационих таласа. Користећи ову технику, заједно су осмислили детектор налик на данашњи LIGO, и 1983. га представили Националној фондацији за науку (NSF) САД-а. Претпостављена цена детектора била је 300 милиона долара.

Уследило је дугогодишње натезање са NSF-ом, америчким Конгресом, и најразличитијим финансијерима. Научници су коначно успели да издејствују средства од Конгреса 1992. Два детектора која стоје и данас изграђена су у року од неколико година, и до 2001. почела су са радом. Међутим, тај ”рад” још увек није био покушај детекције гравитационих таласа, већ само подробна припрема, калибрација опреме и испитивање услова будућих експеримената. 

Након још неколико година сређивања, ”прави” LIGO, тзв. Advanced LIGO, био је спреман у септембру 2015. На изненађење скептика и критичара, одмах је, 14. септембра, детектовао гравитационе таласе. Данас се прича о готово гарантованој Нобеловој награди за Рајнера Вејса и неке од најзначајнијих сарадника. Роналд Древер је, нажалост, у међувремену отишао у старачки дом због деменције, и није присуствовао тријумфалној конференцији за штампу. 

Ово откриће ће, наравно, убрзо отићи даље од Вејса, Торна, Древера и стотина других сарадника широм света који су имали удела у овом највећем астрономском открићу 21. века. Ера ”посматрачке гравитационе астрономије” тек почиње.

Специјал 

ГРАВИТАЦИОНИ ТАЛАСИ

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

• (АКТУЕЛНО) Борис Клобучар: Откриће века
• (АНАЛИЗА) Дарко Доневски: Нови прозор ка универзуму
• (АУДИО) ЛИГО: Звук гравитације
• (ВИДЕО) ЛИГО: Кaко ради ЛИГО?
• (ИСТОРИЈА) Никола Здравковић: Кратка повест гравитације

(ВИДЕО) Како су LIGO детектори у Ханфорду и Ливингстону дошли до највећег открића нашег доба? Погледајте видео анимацију о простирању гравитационих таласа и њиховој детекцији

Извор: LIGO Scientific Collaboration

Специјал 

ГРАВИТАЦИОНИ ТАЛАСИ

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

• (АКТУЕЛНО) Борис Клобучар: Откриће века
• (АНАЛИЗА) Дарко Доневски: Нови прозор ка универзуму
• (АУДИО) ЛИГО: Звук гравитације
• (ВИДЕО) ЛИГО: Кaко ради ЛИГО?
• (ИСТОРИЈА) Никола Здравковић: Кратка повест гравитације

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”:

• (АКТУЕЛНО) Борис Клобучар: Откриће века
• (АНАЛИЗА) Дарко Донески: Нови прозор ка универзуму
• (АУДИО) ЛИГО: Звук гравитације
• (ВИДЕО) ЛИГО: Кaко ради ЛИГО?
• (ИСТОРИЈА) Никола Здравковић: Кратка повест гравитације

Извор: LIGO Scientific Collaboration

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. 

Специјал 

ГРАВИТАЦИОНИ ТАЛАСИ

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

• (АКТУЕЛНО) Борис Клобучар: Откриће века
• (АНАЛИЗА) Дарко Доневски: Нови прозор ка универзуму
• (АУДИО) ЛИГО: Звук гравитације
• (ВИДЕО) ЛИГО: Кaко ради ЛИГО?
• (ИСТОРИЈА) Никола Здравковић: Кратка повест гравитације

Текст: Борис Клобучар

У четвртак 11. фебруара Национална научна фондација (NSF) објавила је откриће века: на великим интерференционим детекторима у Луизијани и држави Вашингтон потврђена детекција гравитационих таласа. LIGO детектори (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) у Ханфорду и Ливингстону детектовали су исто ”издужење и контраховање дужине” које потиче од гравитационих таласа насталих у интеракцији две црне рупе пре 1.3 милијарде година.

Алберт Ајнштајн је предвидео постојање гравитационих таласа у оквиру Опште теорије релативности, која описује гравитацију као поремећај простора и времена. Гравитационе таласе научници мере као издужења и контракције самог простора. Колико год прецизан лењир да имамо, њиме не би могли да измеримо ове промене. Не зато што би нам био потребан јако прецизан лењир, већ зато што би се и лењир, заједно са простором, мењао.

Међутим, како је Ајнштајн рекао, постоји нешто што се не мења са простором, а то је светлост. Експеримент који мери овакве промене је интерферометар. LIGO детектори се заправо састоје из великих канала дугачких 4 километра кроз које путује светлост. Исти сноп светлости раставља се на два дела која се одбијају кроз канале у облику слов L и враћају у један детектор. На детектору се ствара интерференциона слика на којој се мери померај два таласа. Када до детектора дође гравитациони талас, он мења дужину тунела, па самим тим и дужину једног или другог канала за различите вредности. Као резултат, мења се интерференциона слика.

Како би резултат био валидан, прво се морају уклонити, у што је могуће већој мери, остали утицаји на експеримент – попут сеизмичких промена или атмосферских утицаја. Ово је јако велики посао за научнике који раде на LIGO детектору. Како би се искључила могућност лажних мерења, у експерименту учествују два идентична детектора на два краја САД.

Зашто је ово откриће толико важно? Не само да су научници потврдили теорију коју је Ајнштајн поставио пре скоро сто година, већ су и пронашли потпуно нови поглед на универзум. До сада смо небо посматрали гледајући у светлост, односно електромагнетне таласе, од радио таласа до гама зрачења. Ускоро можемо посматрати и нове, гравитационе таласе. Као да смо до сада могли само да видимо тањир испред себе, а сада можемо и да га омиришемо.

Специјал 

ГРАВИТАЦИОНИ ТАЛАСИ

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

• (АКТУЕЛНО) Борис Клобучар: Откриће века
• (АНАЛИЗА) Дарко Доневски: Нови прозор ка универзуму
• (АУДИО) ЛИГО: Звук гравитације
• (ВИДЕО) ЛИГО: Кaко ради ЛИГО?
• (ИСТОРИЈА) Никола Здравковић: Кратка повест гравитације

Текст: Ј. Радановић

Европска свемирска агенција лансирала је почетком децембра сателит LISA Pathfinder из космичког центра Куру у Француској Гвајани. Ово, међутим, није обичан сателит ‒ реч је о софистицираној физичкој лабораторији намењеној извођењу гравитационих експеримената. 

Свемирска лабораторија LISA Pathfinder биће стационирана на око 1.5 милион километара од  Земље у правцу Сунца, у такозваној Лагранжовој тачки Л1. Ово је изузетно погодна позиција с обзиром да се у њој гравитационе силе Земље и Сунца донекле поништавају, што обезбеђује да летелица скоро потпуно “мирује”.

Задатак Pathfinder-а, лансираног 3. децембра, само дан након стогодишњице објављивања Ајнштајнове Опште теорије релативности, јесте тестирање технологије за детекцију гравитационих таласа чије је постојање предвидела управо ова теорија, а никада нису директно регистровани.

Гравитациони таласи узрокују минијатурна скупљања и ширења свемира, а настају као последица јаких интеракција између масивних објеката; на пример, при спајању црних рупа. Како су оваква растезања мања од пречника атома потребна је изузетно прецизна опрема, какву поседује Pathfinder да би се онa регистровалa.

Реч је о ласерском инструменту који бележи промене растојања величине неколико милијардитих делова милиметра између две коцке израђене од злата и платине, пречника око 4,5 центиметара, које слободно падају, изоловане од свих спољашњих сила осим гравитације.

Уколико се покаже да је опрема овог сателита довољно прецизна, већ 2030. Европска свемирска агенција би могла да изведе велику репликацију овог гравитационог експеримента, у којој ће се уместо металних коцки користити три идентичне летелице на растојању од неколико милиона километара.