Prije više od milijardu godina, u nekoj dalekoj galaksiji, dvije crne rupe izvršile su posljednje korake u brzonožnom pas de deuxu, završavajući konačnim zagrljajem koji je tako silovit da je ispuštao više energije od kombiniranog izlaza svake zvijezde u svaka galaksija u promatranom svemiru. Ipak, za razliku od zvjezdane svjetlosti, energija je bila tamna, noseći je nevidljivom silom gravitacije. 14. rujna 2015., u 5:51 sati po istočnom dnevnom vremenu, komad te energije u obliku „gravitacijskog vala“ stigao je do Zemlje, sveden svojim ogromnim tranzitom kroz prostor i vrijeme na samo šapat gromoglasne grmljavine početak.
Povezana čitanja
Elegantni svemir
KupitiKoliko znamo, Zemlja se prije kupala u ovoj vrsti gravitacijskih poremećaja. Često. Razlika je u tome što su dva nevjerojatno precizna detektora, jedan u Livingstonu, Louisiani i drugi u Hanfordu u Washingtonu, bili spremni. Kad je gravitacijski val projurio, škakljao je detektore, pružajući nepogrešiv potpis sudarajući se crnih rupa na drugoj strani svemira i označavajući početak novog poglavlja u čovječanstvu u istraživanju kosmosa.
Kad su glasine o otkriću počele kružiti u siječnju, prevrnuo sam očima na ono što je očito bila lažna uzbuna ili poteškoća da se malo uzbudi. Kao istraživački program već u petom desetljeću, lov na gravitacijske valove već je odavno postao glavno otkriće koje je uvijek lebdjelo na horizontu. Fizičari su se predali čekanju svog gravitacijskog Godota.
Ali ljudska domišljatost i upornost su pobijedili. To je jedna od onih pobjeda koja čak i onima od nas navijaju s boka dok trepere kralježnicu.
Evo priče, ukratko.
Prošlog studenog svijet je proslavio stogodišnjicu Einsteinova najvećeg otkrića, opće teorije relativnosti, koja je otkrila novu paradigmu za razumijevanje gravitacije. Isaac Newtonov pristup ispravno predviđa gravitacijsku privlačnost između bilo koja dva objekta, ali ne daje uvid u to kako nešto ovdje može doprijeti preko praznog prostora i povući tamo nešto . Einstein je proveo desetljeće pokušavajući utvrditi kako se gravitacija komunicira, te je na kraju zaključio da prostor i vrijeme čine nevidljivu ruku koja vrši gravitaciju.
Pretplatite se na časopis Smithsonian već sada za samo 12 dolara
Ova priča izbor je iz travanjskog broja časopisa Smithsonian
KupitiMetafora izbora, pretjerano korištena, ali evokativna, jest misliti na prostor kao na trampolin. Na sredinu trampolina postavite kuglu za kuglanje što uzrokuje zakrivljenost, a mramor će biti gurnut da putuje zakrivljenom putanjom. Slično tome, Einstein je vjerovao da se u blizini astronomskog tijela poput Sunca krive prostorno-vremenske okolnosti, što objašnjava zašto Zemlja, baš poput mramora, slijedi zakrivljenu putanju. Do 1919. astronomska promatranja potvrdila su ovu izvanrednu viziju i učinila Einsteina Einsteinom.
Einstein je gurnuo svoje najvažnije otkriće dalje. Do tog trenutka on se usredotočio na statičke situacije: određivanje fiksnog oblika područja prostornog vremena koje proizlazi iz određene količine materije. No Einstein se nakon toga okrenuo dinamičnim situacijama: Što bi se dogodilo s tkaninom u svemiru ako se stvar pomakne i protrese? Shvatio je da koliko god djeca koja skaču na trampolinu stvaraju valove u površini koji se vale vani, materije koje se kreću ovim putem, a koje će stvarati valove u tkivu svemirskog vremena koji se takore vani i prema van. A budući da je prema općoj relativnosti zakrivljeni prostor vrijeme gravitacija, val zakrivljenog svemirskog vremena val je gravitacije.
Gravitacijski valovi predstavljaju najznačajniji pomak relativne relativnosti od newtonske gravitacije. Fleksibilno svemirsko vrijeme zasigurno je duboka preinaka gravitacije, ali u poznatim kontekstima poput gravitacijskog povlačenja Sunca ili Zemlje, Einsteinova predviđanja jedva se razlikuju od Newtonovih. Međutim, kako Newtonova gravitacija šuti o načinu na koji se gravitacija prenosi, pojam putujućih gravitacijskih poremećaja nema mjesta u Newtonovoj teoriji.
I sam Einstein sumnjao je u svoje predviđanje gravitacijskih valova. Kad se prvi put susrećemo s suptilnim jednadžbama opće relativnosti, izazovno je razdvojiti apstraktnu matematiku od mjerljive fizike. Einstein je bio prvi koji se uključio u tu gužvu, a bilo je i osobina koje ni on, cinosure relativnosti, nije uspio u potpunosti razumjeti. Ali do 1960-ih, znanstvenici su koristili rafiniranije matematičke metode koje su nesumnjivo utvrdile da su gravitacijski valovi odlikujuća karakteristika opće teorije relativnosti.
Ilustracija gravitacijskih valova (John Hersey) Kako se, dakle, može testirati ovo ikonično predviđanje? Godine 1974., pomoću radio teleskopa Arecibo, Joseph Taylor i Russell Hulse otkrili su binarni pulsar: dvije orbite zvijezda u orbiti čije se orbitalno razdoblje moglo pratiti s velikom preciznošću. Prema općoj relativnosti, zvijezde u orbiti stvaraju stalan marš gravitacijskih valova koji ispuštaju energiju, uzrokujući da se zvijezde brže zbližavaju i orbitiraju. Promatranja su potvrdila ovo predviđanje za T, pružajući dokaze, iako neizravne, da su gravitacijski valovi stvarni. Hulse i Taylor dobili su Nobelovu nagradu za 1993. godinu.
Ovo je postignuće samo izravnim otkrivanjem gravitacijskih valova postalo sve primamljivije. Ali zadatak je bio zastrašujući. Proračuni pokazuju da će se gravitacijski val probijati kroz prostor, bilo što na svom putu biti alternativno ispruženo i stisnuto duž osi okomito na smjer kretanja talasa. Gravitacijski val upućen ravno prema Sjedinjenim Državama naizmjenično bi se protezao i stisnuo prostor između New Yorka i Kalifornije, te između Teksasa i Sjeverne Dakote. Preciznim nadgledanjem takvih udaljenosti trebali bismo biti u stanju odrediti prolazak vala.
Izazov je u tome što kao što se mrena u ribnjaku umire kako se širi, gravitacijska vapno razrjeđuje se dok putuje od izvora. Budući da se najveći kozmički sudari obično događaju jako daleko od nas (na sreću), do trenutka kad gravitacijski valovi dođu do Zemlje, količina istezanja i stiskanja koja je uzrokovala je mala - manja od atomskog promjera. Otkrivanje takvih promjena usporedivo je s mjerenjem udaljenosti od Zemlje do najbliže zvijezde izvan Sunčevog sustava s točnošću boljom od debljine lista papira.
Prvi pokušaj, koji je 1960. godine pokrenuo Joseph Weber sa sveučilišta Marylanda, koristio je više tonske čvrste aluminijske cilindre, u nadi da će nježno odjeknuti poput divovskih viljuški kao odgovor na prolazni gravitacijski val. Do ranih 1970-ih, Weber je tvrdio uspjeh, veliko vrijeme. Izjavio je da gravitacijski valovi zvone njegovom detektoru gotovo svakodnevno. Ovo značajno postignuće nadahnulo je druge da potvrde Weberove tvrdnje, ali nakon godina pokušaja, nitko nije mogao uhvatiti ni jedan jedini val.
Weberovo nepokolebljivo vjerovanje u njegove rezultate, dugo nakon što su prikupljeni dokazi sugerirali drugačije, pridonijeli su perspektivi koja je obogaćivala polje desetljećima. Tijekom godina, mnogi su znanstvenici vjerovali, kao i Einstein, da čak i ako bi gravitacijski valovi bili stvarni, oni će jednostavno biti preslabi da bi ih ikada mogli otkriti. Oni koji su se odlučili naći ih su bili u zabludi, a oni koji su vjerovali da su tvrdnje o otkrivanju prevareni.
Do 1970-ih, malo tko je još imao buku gravitacijskog vala, pretvorio se u obećavajuću shemu detekcije u kojoj će se upotrebljavati laseri za usporedbu duljina dvaju dugih identičnih tunela usmjerenih jedan do drugoga na 90 stupnjeva. Prolazni gravitacijski val protegnuo bi jedan tunel, dok bi stisnuo drugi, malo promijenio udaljenost koju su prelazili laserski zraci ispucani duž svakog. Kad se dvije laserske zrake naknadno rekombiniraju, rezultirajući obrazac koji svjetlost oblikuje osjetljiv je na minutne razlike u tome koliko je svaka zraka prošla. Ako se gravitacijski val kotrlja, čak bi i najmanji poremećaji koji stvaraju ostavili modificirani laserski uzorak.
To je lijepa ideja. Ali obližnji udarni čekići, tutnjava kamiona, udari vjetra ili pad stabala mogli bi poremetiti takav eksperiment. Kada tražite razlike u duljini manjoj od milijarde milijarde metra, mogućnost zaštite uređaja od svakog mogućeg uznemiravanja okoliša, ma koliko bila mala, postaje najvažnija. Uz taj naizgled nepremostivi zahtjev, najajzerima je osigurano još streljiva. Dohvatanje gravitacijskog vala natjeraće Hortona da čuje Whoa, pa čak i preko zveketajućih podzemnih željeznica u New Yorku, puku dječju igru.
Ipak, američki fizičari Kip Thorne i Rainer Weiss, kojima se kasnije pridružio škotski fizičar Ronald Drever, sanjali su o izgradnji laserskog detektora gravitacijskog vala i pokrenuli su kotače u pokretu kako bi taj san ostvarili.
2002. godine, nakon nekoliko desetljeća istraživanja i razvoja i više od 250 milijuna dolara ulaganja Nacionalne znanstvene zaklade, dva znanstvena i tehnološka čuda koja čine LIGO (Laser Interferometer Gravitacijsko-valna opservatorija) raspoređena su u Livingstonu, Louisiana i Hanford, Washington. U evakuiranim tunelima dužine četiri kilometra u obliku džinovskog slova „L“ nalazila bi se laserska zraka, oko 50 000 puta snažnija od standardnog laserskog pokazivača. Lasersko svjetlo bi odskakalo naprijed-nazad između glatkih zrcala na svijetu, postavljenih na suprotnim krajevima svake ruke, tražeći malenu neusklađenost u vremenu potrebno svakom za dovršetak putovanja.
Istraživači su čekali. I čekao. Ali nakon osam godina ništa. Razočaranje, naravno, ali kako su istraživački timovi tvrdili, nije iznenađujuće. Proračuni su pokazali da je LIGO jedva na pragu osjetljivosti potrebnom za otkrivanje gravitacijskih valova. Tako je u 2010. godini LIGO isključen zbog različitih nadogradnji, u iznosu većem od 200 milijuna dolara, a u jesen 2015. godine uključen je poboljšani LIGO, mnogo puta osjetljiviji. Šokantno, manje od dva dana kasnije, iznenadna drhtavica pogodila je detektor u Louisiani, a sedam milisekundi kasnije detektor u Washingtonu trzao se na gotovo potpuno isti način. Obrazac osjetljivih vibracija podudarao se s računalnim simulacijama predviđenim za gravitacijske valove koji bi proizveli posljednja grla orbite crnih rupa koje se sruše zajedno.
Jedan moj prijatelj iznutra, zakleo se na tajnost, ali spreman pružiti ne baš suptilan nagovještaj, rekao mi je: "Zamislite samo da se naš najdulji san ostvari." Ali to je bilo ovo udaranje gravitacijskog vala-džekpota što je istraživačima napravilo stanku. Bilo je to gotovo previše savršeno.
Aparat LIGO ovisi o precizno izrađenim - i savršeno čistim - ogledalima. (Matt Heintze / Caltech / MIT / LIGO Lab) Uz nekoliko mjeseci intenzivnog, marljivog napora pažljivog ispitivanja svih ostalih objašnjenja, koliko god bila nevjerojatna, ostao je samo jedan zaključak. Signal je bio stvaran. Stoljeće nakon što je Einstein predvidio njihovo postojanje, prvo izravno otkrivanje gravitacijskih valova proslavilo je više od 1000 znanstvenika koji su radili na eksperimentu LIGO. Uhvatili su trenutačni šum gravitacijskog tsunamija koji se oslobodio prije više od milijardu godina, ostatak tamnog spajanja negdje na dubokom južnom nebu.
Službeno priopćenje za medije 11. veljače u Washingtonu, DC, bilo je električno. Na mojoj instituciji, Sveučilištu Columbia, morali smo premjestiti trenutni postupak na jedno od najvećih mjesta u kampusu, i slične priče odigrane su na sveučilištima širom svijeta. Na trenutak su gravitacijski valovi truli predsjedničku prognozu.
Uzbuđenje je bilo opravdano. Povijest će se osvrnuti na otkriće kao na jedno od tih nekoliko sabirnih točaka koje mijenjaju tijek znanosti. Od prvog ljudskog pogleda prema nebu, svemir smo istraživali pomoću valova svjetlosti. Teleskop je značajno poboljšao tu sposobnost, a mi smo s njim naišli na sjaj novih kozmičkih krajolika. Tijekom 20. stoljeća, proširili smo vrste svjetlosnih signala koje otkrivamo - infracrvenu, radio, ultraljubičastu, gama i X-zrake - sve oblike svjetlosti, ali s valnom duljinom izvan raspona koji možemo vidjeti golim okom. A s tim novim sondama, kozmički je krajolik još uvijek bogatiji.
Gravitacijski valovi su potpuno drugačija vrsta kozmičke sonde, koja ima potencijal za još dramatičnije posljedice. Svjetlo se može blokirati. Neproziran materijal, poput sjenila prozora, može blokirati vidljivu svjetlost. Metalni kavez može blokirati radio valove. Suprotno tome, gravitacija prolazi kroz sve, gotovo nepromijenjeno.
I tako, s gravitacijskim valovima kao našom sondom moći ćemo ispitati kraljevske prostore koji su izvan granica svjetlosti, poput kaotične svađe u svemiru dok se sudaraju dvije crne rupe ili možda divlji zvuk samog velikog praska, prije 13, 8 milijardi godina. Već je promatranje potvrdilo ideju da crne rupe mogu tvoriti binarne parove. Još više muka, možda ćemo pronaći mračni krajolik naseljen stvarima koje još nismo ni zamislili.
Budući da mreža detektora širom svijeta - u Italiji, Njemačkoj, uskoro Japanu i vjerojatno Indiji - objedinjuje svoje podatke, nadamo se da će ih u budućnosti pridružiti ogroman detektor koji djeluje u svemiru, naša sposobnost da istražimo kosmos ponijet će još jedan ogroman skok naprijed. Što je krajnje uzbudljivo. Ne postoji ništa nadahnjujuće od našeg kapaciteta, usred naših stalno prisutnih zemaljskih borbi, podizati pogled, pitati se i imati domišljatost i predanost da malo dalje vidimo.
**********
