Oscilacije u prostor-vremenu otkrivene su stoljeće nakon što ih je Einstein predvidio. Počinje novo doba u astronomiji.
Znanstvenici su uspjeli otkriti fluktuacije u prostor-vremenu uzrokovane spajanjem crnih rupa. To se dogodilo stotinu godina nakon što je Albert Einstein predvidio ove "gravitacijske valove" u svojoj općoj teoriji relativnosti, i stotinu godina nakon što su ih fizičari počeli tražiti.
O ovom orijentiru otkriće danas su izvijestili istraživači iz LIGO laserskog interferometrijskog opservatorija gravitacijskog vala. Potvrdili su glasine koje su okruživale analizu prvog skupa podataka koje su prikupljali mjesecima. Astrofizičari kažu da otkriće gravitacijskih valova omogućuje novi pogled na svemir i omogućuje prepoznavanje udaljenih događaja koji se ne mogu vidjeti optičkim teleskopima, ali možete osjetiti, pa čak i čuti njihove slabašne drhtaje koji dopiru do nas kroz svemir.
“Otkrili smo gravitacijske valove. Uspjeli smo! najavio je David Reitze, izvršni direktor istraživačkog tima s 1000 članova, govoreći danas na tiskovnoj konferenciji u Washingtonu u Nacionalnoj zakladi za znanost.
Gravitacijski valovi možda su najneuhvatljiviji fenomen iz Einsteinovih predviđanja; o toj je temi znanstvenik desetljećima razgovarao sa svojim suvremenicima. Prema njegovoj teoriji, prostor i vrijeme čine rastezljivu materiju koja se savija pod utjecajem teških predmeta. Osjetiti gravitaciju znači ući u krivulje ove materije. Ali može li ovaj prostor-vrijeme podrhtavati poput kože bubnja? Einstein je bio zbunjen, nije znao što znače njegove jednadžbe. I više je puta promijenio svoje stajalište. Ali čak su i najtvrđi pristaše njegove teorije vjerovali da su gravitacijski valovi ionako preslabi da bi ih se moglo promatrati. Kaskadiraju prema van nakon određenih kataklizmi i dok se kreću, naizmjenično se protežu i skupljaju prostor-vrijeme. Ali dok ti valovi dođu do Zemlje,protežu se i sabijaju svaki kilometar prostora za maleni djelić promjera atomske jezgre.
Detektor zvjezdarnice LIGO u Hanfordu, Washington
Foto: REUTERS, Hangout
Promotivni video:
Trebalo je strpljenja i opreza da bi se otkrili ti valovi. Zvjezdarnica LIGO lansirala je zrake naprijed-natrag duž pravokutnih zavoja dugih četiri kilometra dva detektora, jednog u Hanfordu u Washingtonu, a drugog u Livingstonu u Louisiani. To je učinjeno u potrazi za podudarnim proširenjima i kontrakcijama ovih sustava tijekom prolaska gravitacijskih valova. Koristeći najsuvremenije stabilizatore, vakuumske instrumente i tisuće senzora, znanstvenici su izmjerili promjene u duljini tih sustava, što iznosi samo jednu tisućinku veličine protona. Takva osjetljivost instrumenata bila je nezamisliva prije stotinu godina. Također se činilo nevjerojatnim 1968. godine, kada je Rainer Weiss s Massachusetts Institute of Technology osmislio eksperiment nazvan LIGO.
“Veliko je čudo da su na kraju uspjeli. Uspjeli su otkriti ove sićušne vibracije! - rekao je teorijski fizičar sa Sveučilišta u Arkansasu, Daniel Kennefick, koji je 2007. godine napisao knjigu Putujući brzinom misli: Einstein i potraga za gravitacijskim valovima (Putovanje brzinom misli. Einstein i potraga za gravitacijskim valovima).
Ovo je otkriće označilo početak nove ere u astronomiji gravitacijskih valova. Nadamo se da ćemo imati preciznije ideje o nastanku, sastavu i galaktičkoj ulozi crnih rupa - ovih super gustih masnih kuglica koje toliko dramatično iskrivljuju prostor-vrijeme da čak ni svjetlost ne može odande pobjeći. Kad se crne rupe približe jedna drugoj i spoje se, one generiraju impulsni signal - oscilacije u prostoru i vremenu koje se povećavaju u amplitudi i tonu, a zatim naglo prestaju. Signali koje opservatorija može snimiti nalaze se u audio opsegu - međutim preslabi su da bi ih čulo golim uhom. Ovaj zvuk možete ponovno stvoriti prelazeći prstima preko klavirskih tipki. "Počnite od najniže note i radite do treće oktave", rekao je Weiss. "Ovo je ono što čujemo."
Fizičari su već zapanjeni brojem i jačinom signala koji su trenutno zabilježeni. To znači da na svijetu postoji više crnih rupa nego što se mislilo. "Imamo sreće, ali uvijek sam računao na takvu sreću", rekao je astrofizičar Caltecha Kip Thorne, koji je stvorio LIGO s Weissom i Ronaldom Dreverom, koji su također iz Caltecha. "To se obično događa kada se u svemiru otvori potpuno novi prozor."
Prisluškujući gravitacijske valove, možemo stvoriti potpuno različite ideje o svemiru i možda ćemo otkriti nezamislive kozmičke pojave.
"Mogu to usporediti s trenutkom kada smo teleskop prvi put usmjerili prema nebu", rekla je teoretska astrofizičarka Janna Levin s Barnard Collegea sa Sveučilišta Columbia. "Ljudi su shvatili da je tu nešto, i to možete vidjeti, ali nisu mogli predvidjeti nevjerojatan niz mogućnosti koje postoje u svemiru." Isto tako, primijetio je Levin, otkriće gravitacijskih valova moglo bi pokazati da je svemir "pun tamne materije koju ne možemo tek tako otkriti teleskopom".
Priča o otkriću prvog gravitacijskog vala započela je u ponedjeljak ujutro u rujnu, a započela je pljeskom. Signal je bio toliko jasan i glasan da je Weiss pomislio: "Ne, to su gluposti, ništa neće proizaći."
Intenzitet emocija
Ovaj prvi gravitacijski val zahvatio je nadograđene LIGO-ove detektore - prvo u Livingstonu, a sedam milisekundi kasnije u Hanfordu - tijekom simulacijskog izvođenja rano ujutro 14. rujna, dva dana prije službenog početka prikupljanja podataka.
Detektori su "uhapšeni" nakon petogodišnje nadogradnje koja je koštala 200 milijuna dolara. Opremljeni su novim zrcalima za uklanjanje buke i aktivnim sustavom povratne sprege za suzbijanje stranih vibracija u stvarnom vremenu. Nadogradnja je nadograđenoj zvjezdarnici dala višu razinu osjetljivosti od starog LIGO-a, koji je pronašao "apsolutnu i čistu nulu", kako je rekao Weiss, između 2002. i 2010. godine.
Kad je snažni signal stigao u rujnu, znanstvenici u Europi, gdje je u tom trenutku bilo jutro, počeli su brzopleto bombardirati svoje američke kolege e-mailovima. Kad se ostatak grupe probudio, vijest se proširila vrlo brzo. Gotovo svi su bili sumnjičavi prema ovome, rekao je Weiss, pogotovo kad su vidjeli signal. Bio je to pravi klasik iz udžbenika, pa su neki ljudi mislili da je to lažnjak.
Zablude u potrazi za gravitacijskim valovima ponavljale su se mnogo puta od kasnih 1960-ih, kada je Joseph Weber sa Sveučilišta Maryland vjerovao da je pronašao rezonantne vibracije u aluminijskom cilindru sa senzorima kao odgovor na valove. 2014. godine dogodio se eksperiment nazvan BICEP2, prema čijim je rezultatima objavljeno da su otkriveni izvorni gravitacijski valovi - oscilacije u prostoru i vremenu od Velikog praska, koji su se do sada razvukli i trajno zaledili u geometriji svemira. Znanstvenici iz tima BICEP2 svoje su otkriće najavili s velikom pompom, no onda su njihovi rezultati neovisno provjereni, tijekom čega se ispostavilo da su pogriješili i da taj signal dolazi iz kozmičke prašine.
Kad je kozmolog Državnog sveučilišta u Arizoni Lawrence Krauss čuo za otkriće tima LIGO, u početku je pomislio da je to "slijepa stvar". Tijekom rada stare zvjezdarnice, simulirani su signali potajno umetnuti u tokove podataka kako bi se provjerio odgovor, a većina tima za to nije znala. Kad je Krauss od upućenog izvora saznao da ovaj put to nije "slijepo punjenje", teško je mogao obuzdati svoje radosno uzbuđenje.
25. rujna tweetovao je sa svojih 200 000 sljedbenika na Twitteru: „Glasine o gravitacijskom valu otkrivenom na LIGO detektoru. Nevjerojatno ako je istina. Dat ću vam detalje, ako to nije lipa. " Slijedi unos od 11. siječnja: „Ranije glasine o LIGO-u potvrđivali su neovisni izvori. Pratite vijesti. Možda su otkriveni gravitacijski valovi!"
Službeni stav znanstvenika bio je sljedeći: nemojte se zadržavati na primljenom signalu dok ne postoji stopostotna sigurnost. Thorne, vezan za ruku i nogu zbog te predanosti tajnosti, svojoj supruzi nije ništa rekao. "Proslavio sam sam", rekao je. Za početak su se znanstvenici odlučili vratiti na sam početak i sve analizirati do najsitnijih detalja kako bi otkrili kako se signal širi kroz tisuće mjernih kanala različitih detektora te kako bi shvatili postoji li nešto čudno u trenutku kada je signal otkriven. Nisu pronašli ništa neobično. Također su eliminirali hakere koji su trebali najbolje znati o tisućama tokova podataka u eksperimentu. "Čak i kad momčad ubaci, nisu dovoljno savršeni i ostavljaju puno tragova stopala", rekao je Thorne. "A ovdje nije bilo tragova."
Sljedećih tjedana čuli su još jedan, slabiji signal.
Znanstvenici su analizirali prva dva signala i primali su sve više i više. U siječnju su svoje istraživačke radove predstavili u časopisu Physical Review Letters. Ovo je pitanje danas na Internetu. Prema njihovim procjenama, statistička značajnost prvog, najsnažnijeg signala premašuje "5-sigmu", što znači da su istraživači 99,9999% sigurni u njegovu autentičnost.
Slušajući gravitaciju
Einsteinove jednadžbe opće relativnosti toliko su složene da je većini fizičara trebalo 40 godina da se slože: da, gravitacijski valovi postoje i mogu se otkriti - čak i teoretski.
U početku je Einstein smatrao da predmeti ne mogu oslobađati energiju u obliku gravitacijskog zračenja, ali onda je promijenio svoje stajalište. U svom povijesnom djelu, napisanom 1918. godine, pokazao je koji objekti to mogu učiniti: sustavi u obliku bučice koji se istovremeno okreću oko dvije osi, na primjer, binarne datoteke i supernove koje eksplodiraju poput petardi. Oni su ti koji mogu generirati valove u prostoru-vremenu.
Računalni model koji ilustrira prirodu gravitacijskih valova u Sunčevom sustavu
Foto: REUTERS, brošura
Ali Einstein i njegovi kolege nastavili su oklijevati. Neki fizičari tvrde da će čak i ako postoje valovi, svijet će vibrirati s njima i bit će ih nemoguće osjetiti. Richard Feynman je tek 1957. godine zatvorio ovo pitanje demonstrirajući u misaonom eksperimentu da ako gravitacijski valovi postoje, oni se teoretski mogu otkriti. Ali nitko nije znao koliko su ti sustavi bučica uobičajeni u svemiru ili koliko su jaki ili slabi valovi koji su nastali. "U konačnici, pitanje je bilo: možemo li ih ikad pronaći?" Rekao je Kennefick.
1968. Rainer Weiss bio je mladi profesor na Massachusetts Institute of Technology i dodijeljeno mu je da predaje tečaj opće relativnosti. Kao eksperimentator, znao je malo o tome, ali iznenada su se pojavile vijesti o Weberovom otkriću gravitacijskih valova. Weber je od aluminija izgradio tri rezonantna detektora veličine radnog stola i smjestio ih u različite američke države. Sada je rekao da su sva tri detektora zabilježila "zvuk gravitacijskih valova".
Weissovi su studenti zamoljeni da objasne prirodu gravitacijskih valova i izraze svoje mišljenje o zvučnoj poruci. Proučavajući detalje, bio je zapanjen složenošću matematičkih izračuna. “Nisam mogao shvatiti što je Weber radio, kako senzori komuniciraju s gravitacijskim valom. Dugo sam sjedio i pitao se: „Što je najprimitivnije čega se mogu sjetiti da detektiram gravitacijske valove?" I tada mi je sinula ideja koju nazivam konceptualnom osnovom LIGO-a."
Zamislite tri predmeta u prostor-vremenu, recimo, zrcala na uglovima trokuta. "Šaljite svjetlosni signal s jednog na drugog", rekao je Weber. "Pogledajte koliko je vremena potrebno za prelazak s jedne mase na drugu i provjeri je li se vrijeme promijenilo." Ispada, primijetio je znanstvenik, da se to može učiniti brzo. “Povjerio sam ovo svojim studentima kao znanstveni zadatak. Doslovno je cijela skupina mogla izvršiti ove izračune."
U sljedećim godinama, kada su drugi istraživači pokušali replicirati rezultate Weberovog eksperimenta s rezonantnim detektorom, ali neprestano nisu uspjeli (nije jasno što je primijetio, ali to nisu bili gravitacijski valovi), Weiss je počeo pripremati mnogo precizniji i ambiciozniji eksperiment: interferometar gravitacijskog vala. Laserska zraka odbija se od tri zrcala u obliku slova L da bi se stvorile dvije zrake. Razmak vrhova i udubljenja svjetlosnih valova točno ukazuje na duljinu "G" koljena koja stvaraju X i Y osi prostora-vremena. Kad skala miruje, dva svjetlosna vala odbijaju se od uglova i međusobno se poništavaju. Signal u detektoru je nula. Ali ako gravitacijski val prolazi kroz Zemlju, on se proteže u duljini jednog kraka slova "G" i komprimira duljinu drugog (i obrnuto zauzvrat). Neusklađenost dviju svjetlosnih zraka stvara signal u detektoru, pokazujući blage fluktuacije u prostoru-vremenu.
U početku su kolege fizičari bili sumnjičavi, no ubrzo je eksperiment našao potporu u osobi Thorne, čija je skupina teoretičara s Caltecha istraživala crne rupe i druge potencijalne izvore gravitacijskih valova, kao i signale koje generiraju. Thornea je nadahnuo Weberov eksperiment i slična nastojanja ruskih znanstvenika. Nakon što sam 1975. govorio na konferenciji s Weissom, "počeo sam vjerovati da će otkrivanje gravitacijskih valova biti uspješno", rekao je Thorne. "A ja sam želio da i Caltech bude uključen u ovo." S institutom je dogovorio angažiranje škotskog eksperimentatora Ronalda Drievera, koji je također najavio da će izgraditi interferometar gravitacijskog vala. Vremenom su Thorne, Driver i Weiss počeli raditi kao jedan tim, a svaki od njih rješavao je svoj dio nebrojenih problema pripremajući se za praktični eksperiment. Trio je osnovao LIGO 1984. godine, a kada su izrađeni prototipovi i sve je veći tim počeo surađivati, početkom 1990-ih od Nacionalne zaklade za znanost dobili su sredstva od 100 milijuna dolara. Nacrti su izrađeni za izgradnju para divovskih detektora u obliku slova L. Desetljeće kasnije, detektori su počeli raditi.
U Hanfordu i Livingstonu, u središtu svakog od četiri kilometra zavoja detektora nalazi se vakuum, zahvaljujući kojem su laser, njegova zraka i zrcala maksimalno izolirani od stalnih vibracija planeta. Kako bi osigurali još više, LIGO-ovi znanstvenici nadgledaju svoje detektore dok rade s tisućama instrumenata, mjereći sve što mogu: seizmičku aktivnost, atmosferski tlak, munje, kozmičke zrake, vibracije opreme, zvukove u području laserske zrake itd. Zatim filtriraju tu stranu pozadinsku buku iz svojih podataka. Možda je glavna stvar da imaju dva detektora, a to vam omogućuje usporedbu primljenih podataka, provjerujući ih na prisutnost podudarnih signala.
Unutar stvorenog vakuuma, čak i kad su laseri i ogledala potpuno izolirani i stabilizirani, "čudne se stvari stalno događaju", kaže Marco Cavaglià, zamjenik glasnogovornika za projekt LIGO. Znanstvenici moraju pratiti ove "zlatne ribice", "duhove", "neshvatljiva morska čudovišta" i druge strane vanjske vibracijske pojave, otkrivajući njihov izvor kako bi ga uklonili. Jedan težak slučaj dogodio se tijekom faze provjere valjanosti, rekla je Jessica McIver, znanstvenica iz LIGO tima, koja proučava takve strane signale i smetnje. U podacima se često pojavljivao niz periodičnih jednofrekventnih zvukova. Kada su ona i njezini kolege pretvorili vibracije ogledala u audio datoteke, "telefon je izrazito zvonio", rekao je McIver. “Ispalo jeda su oglašivači komunikacija bili ti koji su zvali telefonom unutar laserske sobe."
U sljedeće dvije godine znanstvenici će nastaviti poboljšavati osjetljivost detektora moderniziranog laserskog interferometrijskog opservatorija gravitacijskog vala LIGO. A u Italiji će početi raditi treći interferometar, nazvan Advanced Virgo. Jedan od odgovora koji će dobiveni podaci pomoći dati jest kako nastaju crne rupe. Jesu li oni proizvod kolapsa najranijih masivnih zvijezda ili su rezultat sudara unutar gustih zvjezdanih nakupina? "To su samo dvije pretpostavke, pretpostavljam da će ih biti više kad se svi smire", kaže Weiss. Kako LIGO počinje prikupljati nove statistike tijekom svog nadolazećeg rada, znanstvenici će početi slušati priče o podrijetlu crnih rupa koje će im šaptati prostor.
U obliku i veličini, prvi, najglasniji impulsni signal potječe iz 1,3 milijarde svjetlosnih godina odakle su se, nakon vječnosti usporenog plesa, pod utjecajem međusobne gravitacijske privlačnosti, dvije crne rupe, svaka oko 30 puta veća od Sunčeve mase, napokon spojile. Crne rupe kružile su sve brže i brže, poput vrtloga, postupno se približavajući. Tada je došlo do spajanja i u tren oka su pustili gravitacijske valove s energijom usporedivom s energijom tri Sunca. Ova je fuzija postala najmoćniji energetski fenomen ikad zabilježen.
"Kao da nikada nismo vidjeli ocean tijekom oluje", rekao je Thorne. On je ovu oluju u svemiru-vremenu čekao od 1960-ih. Osjećaj koji je Thorne doživio dok su se valovi kotrljali nije bio baš uzbuđenje, kaže. Bilo je to nešto drugo: osjećaj najdubljeg zadovoljstva.
