Znanstvenici tvrde da su došli do jednog od značajnijih otkrića u povijesti, a koje bi im trebalo pomoći da u potpunosti razumiju gravitaciju, piše BBC. Riječ je o gravitacijskim valovima, putujućim deformacija prostor vremena čije je postojanje pretpostavila Einsteinova teorija relativnosti, ali do sada nikada nije potvrđeno njihovo postojanje.

Znanstvenici su promatrali svijanje prostor-vremena koje je posljedica sudara dviju crnih rupa koje se dogodilo milijardu svjetlosnih godina daleko od zemlje. Ovo će, tvrde znanstvenici, značiti potpuno novu eru u astronomiji.

Gravitacijski valovi postoje i mnogo će utjecati na budućnost astrofizike, astronomije. Doista dolazi do svojevrsnog 'savijanja' prostora-vremena u svemiru prolaskom gravitacijskih valova. Veliki je uspjeh jer se radi o neopisivo zahtjevnom znanstvenom uspjehu, s obzirom da ih je bilo teško detektirati u proteklih oko stotinu godina.

Profesor Karsten Danzmann sa Instituta Max Planck rekao je da je ovo otkriće najvažniji događaj još od otkrića Higsove čestice. Radi se o jednom od najvažnijih otkrića u astronomiji i astrofizici na početku 21. stoljeća. Einstein je gravitacijske valove predvidio, no tek sada su ih otkrili i promatrali.

Kip Thorne, jedan od osnivača LIGO laboratorija izjavio jednu od važnijih spoznaja - prostor-vrijeme u svemiru nije linearno i sada imaju dokaze za to. "Tu je negdje Nobelova nagrada", rekao je.

Kako opažamo gravitacijske valove?

U kontekstu astročestične fizike, najvažnije predviđanje opće teorije relativnosti su gravitacijski valovi - nabori u prostor-vremenu koji se šire brzinom svjetlosti. Oni nastaju u procesima koji uključuju intenzivno gibanje velikih masa. Na primjer: kolaps središta zvijezde pri eksploziji supernove, stapanje središta dviju galaktika, stapanje dvojnog sustava kompaktnih kozmičkih objekata (neutronskih zvijezda ili crnih rupa). Ili samo orbitalno gibanje objekata s velikom masom: dvojni sustav neutronskih zvijezda ili dvije galaktike u interakciji.

Gravitacijski valovi mogu se shvatiti i kao koherentna stanja ogromnog mnoštva gravitona. Gravitoni su hipotetske čestice, medijatori gravitacijske sile. Detekcija pojedinačnog gravitona, čini se, izvan je dometa bilo kakvog zamislivog eksperimenta. Premda postojeći i budući eksperimenti za detekciju gravitacijskih valova ne mogu detektirati pojedinačne gravitone ipak mogu donijeti informacije o nekim njihovim svojstvima. Na primjer, ako bi se opaženi gravitacijski valovi širili brzinom manjom od brzine svjetlosti u vakuumu to bi značilo da gravitoni imaju masu.

Kao što smo već spomenuli, prva posredna detekcija gravitacijskih valova opažena je kroz raspad orbita, odnosno smanjenje orbitalnog perioda, dvojnog sustava neutronskih zvijezda. Pulsar (brzorotirajuću neutronsku zvijezdu) PSR B1913+16 u dvojnom sustavu otkrili su 1974. godine Russell Alan Hulse i Joseph Hooton Taylor, obojica sa sveučilišta Princeton. Te zvijezde kruže jedna oko druge s periodom od 7.75 sati. Zahvaljujući pravilnoj pulsaciji (koja je točnija od atomskog sata) može se opaziti sićušno, ali trajno smanjivanje orbitalnog perioda od 76.5 mikrosekundi na godinu. Tom smanjivanju perioda odgovara smanjivanje orbite od 3.5 metra na godinu. Toliko se neutronske zvijezde približe jedna drugoj za godinu dana. Nakon 300 milijuna godina dvije će zvijezde konačno pasti jedna na drugu pri čemu će nastati crna rupa i kratkotrajna snažna provala gama-zraka (engl. gamma ray burst). Relativistički račun raspada orbita savršeno se slaže s mjerenjima. Taylor i Hulse za to su otkriće dobili Nobelovu nagradu 1993. godine.

Gravitacijski valovi koji dođu do Zemlje iznimno su slabi. Stoga njihova neposredna detekcija zahtijeva vrlo domišljate metode opažanja i nevjerojatno osjetljive detektore. Usporedno se razvijaju dva tipa uređaja za detekciju gravitacijskih valova: zemaljski i svemirski. Oba se temelje na istom principu - interferenciji laserskih snopova čime se mogu opaziti vrlo mali periodični pomaci masivnih tijela. Zemaljski i svemirski detektori gravitacijskih valova su komplementarni što znači da pokrivaju različita frekvencijska područja. To opet znači da su im dostupne i različite vrste fenomena pri kojima nastaju gravitacijski valovi.

Dvojni sustav kompaktnih kozmičkih objekata tipičan je galaktički izvor gravitacijskih valova.

Detektori gravitacijskih valova

Tehniku koji astronomi koriste kako bi opazili mala rastezanja prostor-vremena, uzrokovana gravitacijskim valovima, nazivamo interferometrijom. Svi detektori gravitacijskih valova, i zemaljski i svemirski, zapravo su interferometri. Takvi se uređaju sastoje od dviju probnih, jako razmaknutih masivnih tijela i lasera kojim se neprekidno mjeri njihova međusobna udaljenost. Masivna tijela mogu se slobodno gibati pa se pri prolasku gravitacijskog vala očekuje mala, ali opaziva, periodična promjena udaljenosti. Što je međusobna udaljenost probnih masa veća to je veća i osjetljivost instrumenta na male pomake. Postoji nekoliko zemaljskih detektora gravitacijskih valova koji već rade ili su u izgradnji: američki LIGO, talijanski i francuski VIRGO, njemački i britanski GEO 600 te japanski TAMA 300. Također, NASA priprema svemirski opservatorij gravitacijskih valova LISA.

Trenutno najosjetljiviji detektor gravitacijskih valova je LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory). LIGO se sastoji od dva opservatorija, međusobno udaljena 3000 km: jedan je u Livingstonu (američka država Louisiana), a drugi u Richlandu (američka država Washington). Svaki opservatorij ima po dvije dugačke vakuumske cijevi, promjera 1 m i duljine 4 km, kroz koje prolazi laserski snop. Cijevi međusobno stoje pod kutom od 90 stupnjeva, kao slovo L, a na njihovim krajevima nalaze se probne mase. Prolazak gravitacijskog vala trebao bi sićušno približiti mase jednog kraka te istovremeno sićušno rastegnuti mase drugog kraka. Za najintenzivniji gravitacijski val produljenje bi trebalo biti nezamislivih 10^{-18} metara (tisuću puta manje od promjera atomske jezgre).

Rad na opservatoriju LIGO započet je 1992. godine, a prva opažanja krenula su 2002. godine. Osim detektora LIGO postoje i drugi detektori gravitacijskih valova: VIRGO, GEO 600 i TAMA 300. Njihova izgradnja počela je sredinom 1990-ih godina. VIRGO se sastoji od dva okomita kraka dugačka 3 km. No, laserska zraka prolazi višestruke refleksije pa je efektivna duljina svakog kraka zapravo 120 km. VIRGO je počeo s radom 2007. godine. GEO 600 i TAMA 300 su manji detektori gravitacijskih valova, čiji su krakovi duljina 600 m odnosno 300 m. Osim po osjetljivosti svi se ovi detektori djelomično razlikuju i po području frekvencija koje mogu opažati.

Konačno, LISA (Laser Interferometer Space Antenna) će biti prvi svemirski detektor gravitacijskih valova. Projekt LISA zajednički pripremaju ESA i NASA, a lansiranje se očekuje između 2018. i 2020. godine. Taj svemirski opservatorij sastojat će se od tri letjelice, međusobno udaljene 5 milijuna kilometara što odgovara 13 udaljenosti od Zemlje do Mjeseca. Kad gravitacijski val napravi poremećaj prostor-vremena između dviju letjelica opazit će se promjena udaljenosti metodom laserske interferometrije. Zemaljski detektori gravitacijskih valova osjetljivi su u području viših frekvencija što odgovara prijelaznim fenomenima kao što su eksplozije supernova i zadnji trenuci prije stapanja dvojnog sustava neutronskih zvijezda. S druge strane, svemirski detektor gravitacijskih valova bit će osjetljiv u području nižih frekvencija što odgovara drugoj vrsti fenomena: dvojnim sustavima neutronskih zvijezda u fazi puno prije stapanja te dvojnim sustavima supermasivnih crnih rupa u zadnjim mjesecima prije stapanja.

Neposredno opažanje gravitacijskih valova pomoći će fizičarima da razumiju neke od najtemeljnijih zakona fizike. Također, omogućit će važne spoznaje o dramatičnim događajima u svemiru: smrti zvijezda i rađanju crnih rupa. Svemirski detektori gravitacijskih valova donijet će nove informacije o prirodi prostorvremena te o razvoju svemira neposredno nakon Velikog praska. Tako ćemo bolje razumjeti sam postanak svemira, njegov razvoj i budućnost, piše viva-fizika.org.