Foto: Privatne fotografije, Youtube, Wikipedia
Gravitacijski valovi stvoreni u srazu dvaju crnih rupa prvi put su zabilježeni 2015. godine, a njihovo otkriće proglašeno je jednim od najvažnijih u astronomiji 21. stoljeća te vrijednim Nobelove nagrade koja bi se trebala objaviti sljedeći tjedan.
Kako smo već pisali na Indexu ono je, među ostalim, potvrdilo predviđanja Einsteinove opće teorije relativnosti prema kojima bi kretanje tijela trebalo uzrokovati stvaranje gravitacijskih valova, odnosno nabora u prostor vremenu, kao što kretanje metka stvara valove u zraku ili čamac u moru. No što je još važnije, ono također otvara vrata za novu vrstu promatranja, baš kao što je to učinio razvoj raznih drugih vrsta teleskopa koji rade na raznim duljinama elektromagnetskog zračenja. Primjerice, radio teleskopi koji primaju radiovalove uspijevaju zabilježiti tijela koja se inače skrivaju iza oblaka prašine i plinova pa se ne mogu vidjeti teleskopima koji rade na vidljivu svjetlost.
Što je u novom eksperimentu novo?
U novom eksperimentu zabilježen je sraz dviju crnih rupa prije 1,8 milijardi godina. Jedna od njih imala je masu 31 puta veću od Sunca, a druga 25 puta veću. Nakon sjedinjenja zbroj njihovih masa pao je na 53 mase Sunca, a razlika od tri mase Sunca pretvorila se u golemu energiju gravitacijskih valova.
Poseban značaj ove nove detekcije je u tome što je sraz dviju crnih rupa ovaj puta snimljen s trima detektorima. To omogućuje tzv. triangulaciju pomoću koje se položaj izvora valova na nebu može mnogo preciznije utvrditi nego ako se signal bilježi samo dvama detektorima, što je bio slučaj 2015. U to vrijeme na potrebnoj razini radila su samo dva detektora razmještena na dva kraja SAD-a, jedan u Hanfordu u državi Washington, a drugi u Livingstonu u Louisiani. Osim toga, njihova orijentacija bila je paralelna tako da su znanstvenici mogli odrediti samo jednu ravninu u svemiru u kojoj je ležao signal, ali nisu mogli dobiti njegovu 3D sliku.
„To je kao da imate jednu krišku jabuke pa ne možete pogoditi kako cijela voćka izgleda“, objasnio je prof. Andreas Freise, znanstvenik sa Sveučilišta u Birminghamu koji radi na projektu LIGO.
Prednost novog eksperimenta, među ostalim, u tome je što je Virgo postavljen drugačije od dvaju detektora LIGO-a, što astronomima omogućuje da utvrde polarizaciju gravitacijskih valova, odnosno smjer kretanja vibracija, a time i njihovu sliku u 3D.
Problem u promatranju u rujnu 2015. bio je u tome što eksperiment Virgo u Italiji u to vrijeme još nije bio dovoljno osjetljiv pa nije mogao bilježiti gravitacijske valove. No on je u međuvremenu unaprijeđen tako da se pridružio osluškivanju svemira. Ovo traganje u budućnosti bi trebalo postati još preciznije jer postoje planovi za gradnju više sličnih detektora širom svijeta, a u daljoj budućnosti čak i u svemiru.
Naš fizičar na eksperimentu
U radu kolaboracije Virgo sudjeluje i Damir Buškulić, fizičar porijeklom iz Zadra. On je za Index objasnio koliko je i zašto važno danas predstavljeno otkriće.
"Ovo je prva detekcija gravitacijskih valova koji su stigli od još jednog para crnih rupa, no ovaj put sa svih triju detektora, uključujući i Virgo", rekao je za Index Buškulić
"Četrnaestog kolovoza ove godine, sva tri detektora, dva iz projekta LIGO u SAD-u i jedan projekta Virgo u Italiji zabilježili su signal, što nam je omogućilo smanjiti mogući dio neba iz kojeg je on mogao stići na otprilike 80 četvornih stupnjeva. Da su ga zabilježili samo detektori LIGO-a, površinu s koje je stigao ne bismo mogli smanjiti na manje od 700 četvornih stupnjeva, što je 2800 puta više od površine punog Mjeseca. To je prvi signal koji je zabilježen u Virgou i prva detekcija s trima detektorima! Možete zamisliti koliko je ovo važno za nas i za europske napore u našem području. Sada stvarno počinje gravitacijska astronomija", pojasnio je naše gore list.
Nisu neutronske zvijezde
Jedina razlika između naših najava od kraja kolovoza i rezultata koji su danas predstavljeni sastoji se u tome što signal nije došao, kako se nagađalo, od sraza dviju neutronskih zvijezda, nego ponovno od crnih rupa.
Da je kojim slučajem registriran signal neutronskih zvijezda, otkriće bi bilo još zanimljivije jer bi se događaj mogao pratiti i teleskopima koji rade u raznim područjima elektromagnetskih valova.
No znanstvenici očekuju da će u skoroj budućnosti otkriti i takve signale koji će omogućiti potvrde iz drugih teleskopa. Osim toga, u znanstvenoj zajednici najavljuje se još jedna konferencija LIGO-a sredinom listopada pa nije isključena mogućnost da su ipak snimljene i neutronske zvijezde.
Kako nastaju gravitacijski valovi?
Gravitacijski valovi dovoljno jaki da se mogu mjeriti uglavnom nastaju u brzim rotacijama, srazovima i eksplozijama tijela golemih masa, kao što su primjerice crne rupe i neutronske zvijezde. Budući da je gravitacija najslabija od četiri sile koje postoje u prirodi (jaka i slaba nuklearna sila te elektromagnetska), potrebna je ogromna masa da bi se mogli mjeriti njezini valovi koji se očituju kao deformacije u prostor vremenu.
Einstein, koji je predvidio postojanje gravitacijskih valova, duboko je sumnjao da će se oni ikada moći mjeriti.
Naime, genijalni fizičar izračunao je da bi podizanje ljudske ruke stvorilo gravitacijski val amplitude 10 na -50 (što znači broj s nulom na početku i 50 nula na decimalnim mjestima prije jedinice na kraju) i na temelju toga zaključio da to nikada neće biti moguće.
"Kada govorimo o amplitudi, to se odnosi na relativnu promjenu u duljini objekta. Kada u slučaju LIGO-a kažemo da je amplituda bila 10 na -21, to znači da su se njegovi krakovi, dugi 4000 metara, skratili za 4000x10 na -21. To pak znači da je skraćenje bilo 10 na -18 metara ili tisućiti dio protona", pojasnio je Buškulić.
Gravitacijski valovi u detektorima LIGO-a i Virgoa bilježe se na temelju skraćenja krakova u tim eksperimentima koji su dugi kilometrima (u LIGO-u 4 km). Svaki detektor sastoji se od po dva kraka koji su međusobno postavljeni okomito. Gravitacijski val koji će u jednom kraku uzrokovati skraćenje, u drugom, okomitom, prouzročit će produženje (ilustracija dolje). Kroz oba kraka stalno prolazi svjetlost koja je podešena tako da se u normalnoj situaciji, bez valova, interferencijom poništava – dok jedan val ima maksimum, drugi ima minimum. Kada se dužina krakova prolaskom gravitacijskih valova poremeti, poremeti se i podudaranje zraka pa se one više ne poništavaju – dobiva se signal. Budući da se gravitacijski valovi kreću brzinom svjetlosti, oni se gotovo istovremeno bilježe u svim detektorima na Zemlji – kako u dva u LIGO-u, tako i u trećem u Virgou. Tako je sasvim jasno da oni nisu neka slučajna smetnja, neki potres ili nešto slično, nego gravitacijski val.