Očekuje se da će prvo izravno otkrivanje gravitacijskih valova objaviti 11. veljače znanstvenici u Naprednom laserskom interferometru gravitacijsko-valnog opservatorija (LIGO). Pomoću dva divovska LIGO detektora - jednog u Livingstonu, Louisiani, a drugog u Hanfordu u Washingtonu, znanstvenici su izmjerili pukotine u prostornom vremenu koje nastaju sudarom dviju crnih rupa i čini se da su napokon pronašli ono što su tražili.
Takva bi izjava potvrdila gravitacijske valove koje je predvidio Albert Einstein, a koji je učinio dijelom svoje opće teorije relativnosti prije 100 godina, ali posljedice tu neće završiti. Kao vibracija tkanine prostora-vremena, gravitacijski valovi često se uspoređuju sa zvukom, čak pretvaraju u zvučne zapise. Teleskopi gravitacijskog vala omogućili bi znanstvenicima da "čuju" pojave na isti način na koji ih svjetlosni teleskopi "vide".
Kad se LIGO početkom 1990-ih borio za financiranje od američke vlade, astronomi su bili njegovi glavni kandidati za kongresna saslušanja. "Tada se mislilo da LIGO nema nikakve veze s astronomijom", kaže Clifford Will, teoretičar relativnosti na Sveučilištu Florida u Gainesvilleu i jedan od prvih pristalica LIGO-a. Ali od tada se puno toga promijenilo.
Dobrodošli u polje astronomije gravitacijskog vala. Prijeđimo na probleme i pojave koje bi ona mogla otkriti.
Postoje li uistinu crne rupe?
Signal koji se očekuje od najave LIGO možda je proizveden od dva spajanja crnih rupa. Događaji poput ovih najenergičniji su poznati; sila gravitacijskih valova koje emitiraju u njima može nakratko pomračiti sve zvijezde promatranog svemira ukupno. Spajanje crnih rupa je također vrlo lako protumačiti iz vrlo čistih gravitacijskih valova.
Promotivni video:
Signal koji se očekuje od najave LIGO možda je proizveden od dva spajanja crnih rupa. Događaji poput ovih najenergičniji su poznati; sila gravitacijskih valova koje emitiraju u njima može nakratko pomračiti sve zvijezde promatranog svemira ukupno. Spajanje crnih rupa je također vrlo lako protumačiti iz vrlo čistih gravitacijskih valova.
Spajanje crnih rupa događa se kada se dvije crne rupe spiralno vrte oko sebe, emitirajući energiju u obliku gravitacijskih valova. Ti valovi imaju karakterističan zvuk (cvrkutanje) koji se može koristiti za mjerenje mase ova dva objekta. Nakon toga se crne rupe obično spajaju.
"Zamislite dva mjehurića sapuna koji se dovoljno približe da formiraju jedan mjehurić. Veći mjehurić je deformiran ", kaže Tybalt Damour, teoretičar gravitacije na Institutu za napredna znanstvena istraživanja u Parizu. Završna crna rupa bit će savršeno sferična, ali prvo mora emitirati predvidljive gravitacijske valove.
Jedna od najvažnijih znanstvenih implikacija otkrivanja spajanja crnih rupa bit će potvrda postojanja crnih rupa - barem savršeno kružnih predmeta načinjenih od čistog, praznog, zakrivljenog svemira, kako je predviđala opća relativnost. Druga posljedica je da se spajanje odvija onako kako su znanstvenici predvidjeli. Astronomi imaju puno neizravne potvrde ovog fenomena, ali dosad su to bila promatranja zvijezda i pregrijanog plina u orbiti crnih rupa, a ne same crne rupe.
"Znanstvena zajednica, uključujući i mene, ne voli crne rupe. Prihvatamo ih zdravo za gotovo”, kaže Frans Pretorius, specijalist za opće relativne simulacije na Sveučilištu Princeton u New Jerseyju. "Ali ako razmislite što je to nevjerojatno predviđanje, potreban nam je zaista nevjerojatan dokaz."
Kreću li se gravitacijski valovi brzinom svjetlosti?
Kada znanstvenici počnu uspoređivati LIGO promatranja s onima drugih teleskopa, prvo što provjere je da li je signal stigao u isto vrijeme. Fizičari vjeruju da gravitaciju prenose gravitonske čestice, gravitacijski analog fotona. Ako, poput fotona, te čestice nemaju masu, tada će se gravitacijski valovi kretati brzinom svjetlosti, u skladu s predviđanjem brzine gravitacijskih valova u klasičnoj relativnosti. (Na njihovu brzinu može utjecati ubrzano širenje svemira, ali to bi se trebalo očitovati na udaljenostima znatno većim od onih prekrivenih LIGO).
Sasvim je moguće da gravitoni imaju malu masu, što znači da će se gravitacijski valovi kretati brzinom manjom od svjetlosti. Na primjer, ako LIGO i Djevica otkriju gravitacijske valove i otkriju da su valovi stigli na Zemlju kasnije nego što su povezani s kozmičkim događajem gama zraka, to bi moglo imati kobne posljedice za fundamentalnu fiziku.
Je li prostorno vrijeme napravljeno od kozmičkih struna?
Čak bi se i čudnije otkriće moglo dogoditi ako se otkriju pragovi gravitacijskih valova koji proizlaze iz "kozmičkih struna". Ti hipotetički nedostaci zakrivljenosti prostora i vremena, koji mogu biti povezani sa teorijama struna, moraju biti beskonačno tanki, ali istegnuti na kozmičke udaljenosti. Znanstvenici predviđaju da bi se kozmički nizovi, ako postoje, mogli slučajno saviti; ako se žica savije, uzrokovat će gravitacijski val koji detektori poput LIGO-a ili Djevice mogu mjeriti.
Mogu li neutronske zvijezde biti nazubljene?
Neutronske zvijezde su ostaci velikih zvijezda koje su se srušile pod vlastitom težinom i postale toliko guste da su se elektroni i protoni počeli topiti u neutrone. Znanstvenici malo razumiju fiziku neutronskih rupa, ali gravitacijski valovi mogli bi im puno reći. Na primjer, intenzivna gravitacija na njihovoj površini uzrokuje da neutronske zvijezde postanu gotovo savršeno sferične. No neki su znanstvenici sugerirali da mogu imati i "planine" - visine nekoliko milimetara - zbog kojih ovi gusti predmeti, promjera 10 kilometara, ne više, pomalo nisu asimetrični. Neutronske zvijezde obično se vrte vrlo brzo, tako da će asimetrična raspodjela mase preskočiti prostor i stvoriti stalan sinusoidni gravitacijski valni signal, usporavajući rotaciju zvijezde i emitirajući energiju.
Parovi neutronskih zvijezda koji se okreću oko sebe također proizvode konstantan signal. Poput crnih rupa, ove se zvijezde spirališu i na kraju se stapaju u karakterističan zvuk. Ali njegova se specifičnost razlikuje od specifičnosti zvuka crnih rupa.
Zašto zvijezde eksplodiraju?
Crne rupe i neutronske zvijezde formiraju se kad masivne zvijezde prestanu blistati i urušavaju se u sebe. Astrofizičari smatraju da je ovaj proces u središtu svih uobičajenih eksplozija supernove tipa II. Simulacije takvih supernova još uvijek nisu pokazale zašto se pali, ali vjeruje se da slušanje gravitacijskih valova koje emitira stvarna supernova daje odgovor. Ovisno o tome kako izgledaju rafalni valovi, koliko su glasni, koliko često se javljaju i kako se povezuju s supernovama koje prate elektromagnetski teleskopi, ti bi podaci mogli isključiti hrpu postojećih modela.
Kako se svemir širi?
Širenje svemira znači da se udaljeni objekti koji se odmiču od naše galaksije izgledaju crveniji nego što zapravo jesu, kao što svjetlost koju emitiraju proteže se kako se kreću. Kozmolozi procjenjuju brzinu širenja svemira uspoređujući crveni pomak galaksija koliko su udaljeni od nas. Ali ta se udaljenost obično procjenjuje iz svjetline supernove vrste Type Ia, a ova tehnika ostavlja puno neizvjesnosti.
Ako nekoliko gravitacijskih detektora valova širom svijeta detektira signale iz spajanja istih neutronskih zvijezda, zajedno mogu apsolutno točno procijeniti glasnost signala, kao i udaljenost na kojoj se spajanje dogodilo. Oni će također moći procijeniti smjer i s njim identificirati galaksiju u kojoj se događaj dogodio. Usporedbom crvenog pomaka ove galaksije s udaljenošću do zvijezda koje se spajaju, može se dobiti neovisna brzina kozmičkog širenja, možda preciznija nego što to dopuštaju trenutne metode.