Gravitacijski valovi predstavljajo sveti gral moderne astrofizike. Napoveduje jih splošna teorija relativnosti, imamo posredne dokaze o njihovem obstoju, a njihova neposredna detekcija se nam izmika že lep čas. A če gre verjeti vse bolj številnim govoricam, bomo v kratkem deležni prvega neposrednega dokaza o obstoju gravitacijskih valov. In naše dojemanje sveta bo za vedno spremenjeno.
Ste že slišali, da naj bi LIGO detektiral gravitacijske valove? Če bi se v zadnjih mesecih potepali po raziskovalnih inštitutih, univerzah in konferencah širom sveta, bi vas slej ko prej nekdo pocukal za rokav in vam vzhičeno zastavil to na videz nedolžno vprašanje. Čeprav odziv na takšno informacijo zahteva zdravo mero skepticizma, pa kljub temu nikogar ne pusti povsem ravnodušnega. Kaj pa, če se za to govorico skriva resnica?
Ilustracija gravitacijskih valov, ki jih ustvarja dvojni sistem kompaktnih zvezd (nevtronske zvezde ali črne luknje). Vir
Gravitacijski valovi
Einstein je s svojo splošno teorijo relativnosti dodobra pretresel naše razumevanje sveta. Ena izmed napovedi teorije je, da bi moralo pospešeno telo ustvariti valove v samem prostoru-času. Z drugimi besedami, telo naj bi oddajalo gravitacijske valove. Za stvaritev znatnih valov je potreben zelo masiven in izjemno gost vir. Takšnim zahtevam med drugim ustrezajo nevtronske zvezde in črne luknje.
V Vesolju najdemo številne primere, ko se nevtronske zvezde in črne luknje znajdejo v dvojnem sistemu. Če je Einsteinova teorija pravilna, bi morali zvezdi pri gibanju v dvojnem sistemu sevati gravitacijske valove. Pri tem bi sistem izgubljal energijo in zvezdi bi se začeli po spirali gibati ena proti drugi. In res, leta 1974 sta ameriška znanstvenika Russell Alan Hulse and Joseph Hooton Taylor odkrila dvojni sistem nevtronskih zvezd. Uspela sta izmeriti, kako se s časom spreminja orbita zvezd: sprememba je bila ravno takšna, kakršno je napovedovala teorija gravitacije. Kasnejša opazovanja sistema so ta zaključek samo potrdila, Hulse in Taylor pa sta leta 1993 za svoje odkritje prejela Nobelovo nagrado.
Spreminjanje obhodnega časa nevtronskih zvezd v dvojnem sistemu PSR B1913+16 kot posledica sevanja gravitacijskih valov. Polna črta je teoretična napoved, ki se odlično prilega meritvam (črne pike). Vir
A neposredna detekcija gravitacijskih valov predstavlja veliko trši oreh. Omejimo se na naš dvojni zvezdni sistem. Sevanje, ki nastaja pri gibanju zvezd v orbiti, je veliko prešibko, da bi ga lahko detektirali. Dovolj močno sevanje pa bo nastalo, ko se bosta zvezdi zaleteli ena v drugo in se zlili v nov objekt. Kaj pomeni "dovolj močno" sevanje? Tako kot pri ostalih tipih sevanja se tudi amplituda gravitacijskih valov zmanjšuje z razdaljo. Sicer močno sevanje pri izvoru je tako izjemno šibko, ko pride do nas. In tu pridemo do detektorja gravitacijskih valov.
LIGO
Gravitacijski valovi med potovanjem stiskajo in raztezajo prostor-čas. To lastnost bi torej lahko uporabili za njihovo detekcijo. V povprečju je moč gravitacijskih valov, ki pridejo do Zemlje, izredno šibka. Pričakujemo, da tipičen val stisne in raztegne razdaljo med Zemljo in Soncem za velikostni red vodikovega atoma. Kljub izjemno majhnim razlikam se lahko z natančno zasnovanim eksperimentom tem razdaljam približamo.
Eden izmed observatorijev, ki sestavljata observatorij gravitacijskih valov LIGO. Vir
Obstaja več različnih tehnik, s katerimi bi lahko detektirali gravitacijske valove. Omejimo se na trenutno najbolj vroč eksperiment: Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Idejno so projekt leta 1992 zasnovali astrofiziki Kip Thorne, Ronald Drever in Rainer Weiss (MIT, Caltech). LIGO sestavljata dva observatorija, med seboj oddaljena za 3000 km. Vsak observatorij je sestavljen is dveh cevi dolžine štirih kilometrov, ki sta postavljeni pod kotom 90 stopinj. Po vsaki cevi se po vakuumu giblje snop svetlobe, s katerim natančno merijo razdaljo med dvema točkama v cevi. Prispeli gravitacijski val bi malo skrčil razdaljo v eni cevi, medtem ko bi razširil razdaljo v drugi cevi. Ker gre za tako majhne premike, lahko pričakujemo veliko lažnih signalov (npr. potresi). Drugi observatorij na oddaljeni lokaciji deluje kot varovalka, saj mora istočasno kot prvi [1] detektirati enak signal.
Govorice
V zadnjem času je v medijih zaslediti vedno več govoric o detekciji (npr. tukaj in tukaj). Tem govoricam se daje vse večjo težo, saj jih mnogokrat objavljalo znani astrofiziki. Še več, med zadnjimi novicami najdemo tudi številne podrobnosti, ki samo še bolj podžigajo našo radovednost. Tako je teoretični fizik Clifford Burgess izjavil, da je detektiran gravitacijski val posledica zlitja dveh črnih lukenj z masama 36 in 29 Sončevih mas, na novo nastala črna luknja pa naj bi imela 62-kratno maso Sonca.
Velja omeniti, da znanstveniki, ki dejansko sodelujejo v projektu LIGO, kljub vsem govoricam ostajajo tiho. To je razumljivo. Svež (in boleč) je namreč še spomin na projekt BICEP2: znanstveniki so v velikem slogu oznanili detekcijo prvobitnih gravitacijskih valov, kasneje pa se je izkazalo, da je bila njihova analiza površna. Če gre verjeti zadnjim govoricam, naj bi konec tedna revija Nature objavila rezultate kolaboracije LIGO: v tem primeru bi bila detekcija potrjena!
Gravitacijski valovi: so res tako pomembni?
Detekcija gravitacijskih valov prinaša ogromen preskok v sodobni znanosti. Prinesla bo še eno potrditev splošne teorije relativnosti [2]. Astrofiziki detekcije gravitacijskih valov nestrpno pričakujemo. Številni objekti na nebu so sposobni ustvariti merljive valove: že omenjena zlitja dvojnih sistemov kompaktnih zvezd, eksplozije supernov in izbruhov sevanja gama, nevtronske zvezde, na katere pada snov z akrecijskih diskov, hitro vrteče se nevtronske zvezde z deformiranim jedrom, itd. Z detekcijo gravitacijskih valov bomo veliko bolje razumeli posamezne pojave.
Če vas to ne prepriča [3][4], pa vas ne more pustiti hladne dejstvo, da bomo z detekcijo gravitacijskih valov dobili povsem nov in drugačen pogled na svet. V zadnjih stoletjih smo spoznali in dodobra izkoristili elektromagnetni spekter svetlobe, vse od dolgih radijskih valov pa do visokoenergijskega sevanja gama. Šli smo celo tako daleč, da smo kot vir informacij začeli iskati (in jih tudi našli!) izmuzljive nevtrine in visokoenergijske kozmične delce. Gravitacijski valovi se od ostalih nosilcev informacij povsem razlikujejo, a so jim komplementarni.
Čaka nas torej še nekaj dni ugibanj, nato pa, upajmo, odpiranje šampanjcev in pogumen korak v novo dobo raziskovanja Vesolja.
-----------------------------------------------------------------------------------
[1] V resnici observatorija detektirata signal v časovnem razmaku do deset milisekund. Toliko časa traja, da val pripotuje od enega do drugega observatorija (val potuje s svetlobno hitrostjo).
[2] Če še vedno ne verjamete v to teorijo, je tu vedno dobrodošel vpliv popravkov splošne teorije relativnosti na GPS sistem.
[3] Merimo krčenje in raztezanje prostora samega - ali to ni dovolj?
[4] Z gotovostjo trdim, da bo za detekcijo, kadar bo pač prišla, podeljena Nobelova nagrada.
-----------------------------------------------------------------------------------
Jure Japelj