Einsteinova teorija o gravitacijskim valovima stara 100 godina dokazana je kao točna, a to revolucionarno otkriće nagrađeno je Nobelovom nagradom za fiziku 2017. godine.
Znanstvenici zaposleni na LIGO projektu (eng. Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) prvi put su potvrdili otkriće gravitacijskih valova u veljači 2016. godine. Drugi set valova potvrđen je četiri mjeseca kasnije, 15. lipnja.
Prvi detektirani valovi, uočeni među podacima sakupljenima 14. rujna 2015. bili su rezultat stapanja dviju crnih rupa mase 36 i 29 puta veće od mase našeg Sunca. Drugi set gravitacijskih valova putovao je kroz prostor-vrijeme kada su se sudarile dvije crne rupe mase osam i 14 puta veće od mase Sunca.
Ovaj sudar zbio se prije 1,4 milijardu godina i stvorio masivnu rotirajuću crnu rupu mase 21 put veće od mase Sunca. Dodatna vrijednost Sunčeve mase pretvorena je u gravitacijsku energiju. Druga detekcija bila je „veoma jaka“ unatoč manjim veličinama crnih rupa.
Znanstvena suradnja uključivala je oko 90 akademskih i znanstvenih institucija iz više od 15 zemalja, uključujući i MIT i Caltech. Profesor Kip Thorne, Barry Barish i Rainer Weiss dobitnici su ovogodišnje Nobelove nagrade za fiziku zahvaljujući njihovom „odlučujućem doprinosu LIGO detektoru i opažanju gravitacijskih valova“.
„Znali smo otprije da gravitacijski valovi postoje. Znali smo i da postoje crne rupe. Ono što su ova trojica znanstvenika postigli jest izgradnja prvog uređaja koji je dovoljno osjetljiv da izravno mjeri gravitacijske valove. Za to im je bilo potrebno preko 40 godina, a rezultat je najosjetljiviji mjerni uređaj koji je ikad postojao. To je nevjerojatan novi alat koji je tek započeo transformaciju našeg razumijevanja svemira“, rekao je profesor Mark Hannam.
Što su gravitacijski valovi?
Revolucionarni rad Alberta Einsteina iz 1905. godine pokazao je da je brzina svjetlosti u vakuumu neovisna o gibanju svih promatrača, i zakoni fizike su isti za sve ne-ubrzavajuće promatrače. Ovo je poznato kao specijalna teorija relativnosti.
Teorija objašnjava ponašanje objekata u prostoru i vremenu, a može se iskoristiti kako bi se predvidjelo sve od postojanja crnih rupa do savijanja svjetlosti zbog gravitacije i ponašanja planeta Merkura u njegovoj orbiti.
Po Einsteinu, koji ih je prvi predvidio 1916. godine nakon što je oblikovao teoriju opće relativnosti, gravitacijski valovi su nabori u zakrivljenosti prostor-vremena koji putuju od izvora koji ih je stvorio. Tvrdio je da prostor-vrijeme – bilo koji matematički model koji kombinira prostor i vrijeme – stvara nabore koji se gibaju u svemiru brzinom svjetlosti.
LIGO tvrdi da su valovi „uzrokovani nekim od najmoćnijih procesa“ i nose informacije o porijeklu svemira i prirodi gravitacije.
„Gravitacijski valovi nisu tek jedan dio elektromagnetskog spektra, oni su čitav novi spektar u sebi – potpuno drugačiji način dobivanja informacija iz stvari“, ,rekao je Anthony Lasenby s Cambridgea.
„Oni nose informacije i mogu nam reći nenšto o aspektima astrofizičkih sila i načelnim stvarima poput ranog svemira, znači činjenice do kojih ne možete doći ni na jedan drugi način.“
Gravitacijski valovi nisu isto što i valovi gravitacije. Atmosferski valovi gravitacije formiraju se kada potisak gura zrak, a gravitacija ga povlači prema natrag. Kada padne u nisku točku vala, zrak dotiče površinu oceana. Ovo čini vodu „grubom“.
Ovo kreira duge, vertikalne tamne linije koje se mogu vidjeti na satelitskim slikama koje pokazuju gdje su korita gravitacijskih valova ogrubjela površinu. Grebeni gravitacijskih valova tada se mogu vidjeti kao svijetla područja na istim satelitskim slikama. U usporedbi, voda ispod grebena je mirna i reflektira svjetlo prema senzoru. Oblaci obično oblikuju grebene valova.
Zašto su gravitacijski valovi bitni?
Gravitacijski valovi oblikuju sustave koji nam omogućuju da proučavamo svemir na načine koji dosad nisu bili mogući. Na isti način na koji infracrveni i rendgenski spektri omogućuju ljudima pogled u dubine svemira, gravitacijski valovi otvaraju nove mogućnosti istraživanja.
Postojanje valova je gotovo univerzalni konsenzus znanstvenika, no izbjegavali su dokazima sve do veljače 2016. godine.
Zašto je tako teško detektirati gravitacijske valove?
Dok gravitacijski valovi prolaze kroz svemir, njihova interakcija sa svime oko njih je „minijaturna“ u usporedbi s drugim tipovima valova.
Znanstvenici sa Sveučilišta Cardiff napisali su da bi „eksplozija supernove u našoj galaksiji emitirala prilično jako gravitacijsko zračenje, no prsten promjera jednog kilometra deformirao bi tek tisućiti dio veličine atomske jezgre“.
Lasenby kaže da „tek odnedavno“ senzori s detektorskom sposobnosti „ispravne osjetljivosti“ mogu pronaći valove. LIGO eksperiment koristi interferometre, koji mogu detektirati sićušne količine gravitacijskog zračenja.
Interferometri se koriste u brojnim područjima znanosti i inženjeringa i zovu se interferometri zato što stapaju dva ili više izvora svjetlosti kako bi stvorili uzorak interferencija.
Interferometre je izumio Albert Michelson i Michelsonov interferometar je prvi put iskorišten 1887. godine u eksperimentu Michelson-Morley. Ovaj eksperiment postavljen je kako bi se proučavao „luminiferni eter“. Krajem 19. stoljeća vjerovalo se da ovaj eter postoji diljem svemira. Laseri su omogućili proučavanje sitnih mjera, poput onih koje promatra LIGO.
Što je LIGO?
Istraživački projekt je jedan od najvećih opservatorija gravitacijskih valova na svijetu i nalazi se na dvije lokacije u Sjedinjenim Državama – u Washingtonu i u Louisiani. Opservatorij proučava svojstva svjetlosti i svemira kako bi detektirao izvore gravitacijskih valova.
Foto: Velika optička inspekcija LIGO opreme. LIGO
Napredni LIGO projekt, koji je započeo u kolovozu 2015. godine nakon sedmogodišnjeg redizajniranja, dizajniralo je osoblje Tehnološkog instituta u Kaliforniji i MIT-a, ali na njemu su zaposleni znanstvenici s 80 svjetskih institucija. „LIGO se specijalizira u promatranju ovih prilično brzih frekvencija događaja od 10 herca pa sve do 1.000 herca“, rekao je Lasenby.
Interferometar ima dvije „ruke“ dugačke 4 kilometra kojima putuju laserske zrake i reflektiraju zrcalne slike na svakom kraju. „LIGO znanstvenici mogu proučavati obrasce promjena duljine ruke koje očekujemo od različitih tipova izvora gravitacijskih valova: ako uoče obrazac, znat će da je tuda prošao gravitacijski val“, piše na stranicama projekta.
Sustav traži četiri različite kategorije gravitacijskih valova, od kojih svaka ima vlastite obrasce koje može uočiti ova oprema.
Kao dodatak LIGO-u, najveći svjetski radio teleskop u Kini dovršen je u rujnu 2016. Ovaj teleskop, FAST (eng. Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope) ima najveći otvor na svijetu, čak 500 metara, i zauzima područje jednako veličini 30 nogometnih igrališta.
Ne samo da nadilazi Opservatorij Arecibo – nekad najveći teleskop s jednim otvorom na svijetu – svojom veličinom, nego i osjetljivosti i sveukupnim performansom.
Jednom kad bude potpuno operativan, FAST će pregledavati svemir u potrazi za gravitacijskim valovima, galaksijama i porijeklom života.
Znanstvenici koji su prošle godine sudjelovali u suradnji LIGO-VIRGO otkrili su da detektirane binarne crne rupe, za koje se smatra da su odgovorne za gravitacijske valove, predstavljaju praiskonske, prvobitne entitete koji su formirani odmah nakon Velikog praska.
Oslanjajući se na opću relativnost, znanstveni tim sa Sveučilišta Kyoto proučavao je kako često se crne rupe stapaju. Binarne crne rupe koje je otkrio LIGO-VIRGO tim poklapale bi se s ovom teorijom ako su praiskonske, i ako sačinjavanju jednu tisućinu crne tvari u svemiru.
Primordijalne binarne crne rupe bile su predmet rasprava 1990-ih, no opažanja predlažu da su ograničene. U današnje vrijeme nitko nije pronašao praiskonske crne rupe, što znači da bi LIGO-VIRGO opažanja mogla biti prva takva.
Ako budući podaci podrže ova opažanja, to bi bilježilo prvo potvrđeno otkriće praiskonske crne rupe te vodilo teorije o početku svemira.
>> Pročitajte i: Gravitacijski valovi uočeni u sudaru neutronskih zvijezda
