Treći put u godinu i pol dana, Napredni opservatorij gravitacijskog vala Laser Interferometar otkrio je gravitacijske valove. Einstein je pretpostavio prije jednog stoljeća, da identifikacija ovih pukotina u svemiru-vremenu - treći put, ništa manje - ispunjava obećanje o području astronomije koja je desetljećima privlačila znanstvenike, ali činilo se da leže samo iz područja naš domet.
Povezani sadržaj
- Kako su astrofizičari pronašli crnu rupu u kojoj nitko drugi nije mogao
- Upoznajte tim znanstvenika koji su otkrili gravitacijske valove
- Gravitacijski valovi udariju dva puta
Kao astrofizičar gravitacijskog vala i član znanstvene suradnje LIGO, prirodno sam oduševljen što vizija toliko nas postaje stvarnost. Ali navikla sam smatrati vlastiti posao zanimljivijim i uzbudljivijim od drugih ljudi, pa je opseg u kojem je čitav svijet izgledao fasciniran tim ostvarenjem došao kao nešto iznenađenje.
Uzbuđenje je ipak zasluženo. Otkrivajući ove gravitacijske valove po prvi put, ne samo da smo izravno potvrdili ključno predviđanje Einsteinove teorije opće relativnosti na uvjerljiv i spektakularan način, već smo otvorili i potpuno novi prozor koji će revolucionirati naše razumijevanje kosmosa.,
Već su ta otkrića utjecala na naše razumijevanje svemira. A LIGO tek počinje.
**********
U svojoj srži, ovaj novi način razumijevanja svemira proizlazi iz naše nove pronađene sposobnosti da čujemo njegov zvučni zapis. Gravitacijski valovi zapravo nisu zvučni valovi, ali analogija je prikladna. Obje vrste valova nose informacije na sličan način, a obje su potpuno neovisne pojave od svjetlosti.
Gravitacijski valovi su valovi u prostoru-vremenu koji se šire van iz snažno nasilnih i energetskih procesa u prostoru. Mogu ih stvoriti predmeti koji ne blistaju i mogu putovati kroz prašinu, materiju ili bilo što drugo, a da ih ne apsorbiraju ili izobliče. Oni nose jedinstvene podatke o svojim izvorima koji nas dovode u netaknutom stanju, pružajući nam istinski osjećaj izvora koji se ne može dobiti na bilo koji drugi način.
Opća relativnost govori nam, između ostalog, da neke zvijezde mogu postati toliko guste da se same zatvore od ostatka svemira. Ti se izvanredni predmeti nazivaju crne rupe. Opća relativnost također je predviđala da kada parovi crnih rupa čvrsto kruže jedno oko drugog u binarnom sustavu, oni uzbuđuju prostor-vrijeme, samu tkaninu kosmosa. To je poremećaj prostora i vremena koji energiju šalje u svemir u obliku gravitacijskih valova.
Taj gubitak energije uzrokuje da se binarni sustav dodatno stegne, sve dok se na kraju dvije crne rupe ne spoje i tvore jednu crnu rupu. Ovaj spektakularni sudar stvara više snage u gravitacijskim valovima nego što zrače kao svjetlost sve zvijezde u svemiru zajedno. Ovi katastrofalni događaji traju samo nekoliko desetaka milisekundi, ali za to vrijeme oni su najsnažniji fenomeni od Velikog praska.
Ovi valovi nose informacije o crnim rupama koje se nikako ne mogu dobiti na drugi način, jer teleskopi ne mogu vidjeti objekte koji ne emitiraju svjetlost. Za svaki događaj možemo izmjeriti mase crnih rupa, njihovu brzinu rotacije ili „okretanja“ i detalje o njihovim položajima i orijentacijama s različitim stupnjem sigurnosti. Ove informacije omogućuju nam da naučimo kako su ti objekti nastali i razvijali se u kozmičkom vremenu.
Iako smo ranije imali snažne dokaze za postojanje crnih rupa temeljenih na utjecaju njihove gravitacije na okolne zvijezde i plinove, detaljne informacije gravitacijskih valova neprocjenjive su za učenje o podrijetlu ovih spektakularnih događaja.
Pogled iz zraka LIGO gravitacijskog valnog detektora u Livingstonu, Louisiana. (LIGO, CC BY-NC-ND) **********
Kako bi otkrili ove nevjerojatno tihe signale, istraživači su konstruirali dva LIGO instrumenta, jedan u Hanfordu, Washington, a drugi udaljen 3, 000 milje u Livingstonu, Louisiana. Dizajnirani su tako da omoguće jedinstveni učinak koji gravitacijski valovi imaju na sve što naiđu. Kad gravitacijski valovi prolaze, oni mijenjaju udaljenost između objekata. Trenutno kroz vas prolaze gravitacijski valovi, prisiljavajući glavu, stopala i sve ostalo da se kreću naprijed i nazad na predvidiv - ali neprimjetan - način.
Taj efekt ne možete osjetiti, niti ga vidjeti mikroskopom, jer je promjena tako nevjerojatno sitna. Gravitacijski valovi koje možemo detektirati pomoću LIGO mijenjaju udaljenost između svakog kraja detektora dužine 4 kilometra za samo 10⁻¹⁸ metara. Koliko je ovo malo? Tisuću puta manja od veličine protona - zbog čega ne možemo očekivati da ćemo ga vidjeti čak i mikroskopom.
LIGO znanstvenici koji rade na njegovom optičkom ovjesu. (LIGO laboratorij, CC BY-ND) Da bi izmjerio takvu minutnu udaljenost, LIGO koristi tehniku nazvanu "interferometrija". Istraživači su svjetlost s jednog lasera podijelili na dva dijela. Zatim svaki dio putuje niz dvije okomite ruke koje su dugačke 2, 5 milje. Konačno, njih dvoje se udružuju i dopušteno im je da se mešaju jedno u drugo. Instrument je pažljivo kalibriran tako da, u nedostatku gravitacijskog vala, interferencija lasera rezultira gotovo savršenim poništavanjem - iz interferometra ne izlazi svjetlo.
Međutim, gravitacijski val koji prolazi ispružit će jednu ruku u isto vrijeme dok istiskuje drugu ruku. S promjenom relativne duljine ruku, smetnja laserskog svjetla više neće biti savršena. To je ta sitna promjena količine smetnji koju napredni LIGO zapravo mjeri, a to mjerenje govori nam kakav mora biti detaljan oblik prolaznog gravitacijskog vala.
Slušati
Zvuk sudara dviju crnih rupa:Svi gravitacijski valovi imaju oblik "cvrkutanja", pri čemu se s vremenom povećavaju i amplituda (slična glasnosti) i frekvencija, odnosno nagib. Međutim, karakteristike izvora su kodirane u precizne detalje ovog cvrkuta i kako se on razvija s vremenom.
Oblik gravitacijskih valova koje opažamo zauzvrat nam može reći detalje o izvoru koji se nije mogao mjeriti na bilo koji drugi način. S prve tri samouvjerene detekcije Advanced LIGO-a već smo otkrili da su crne rupe češće nego što smo ikad očekivali i da najčešća sorta, koja nastaje izravno od pada masivnih zvijezda, može biti masivnija nego što smo prethodno misao je moguća. Sve ove informacije pomažu nam da shvatimo kako se masivne zvijezde razvijaju i umiru.
Tri potvrđene detekcije LIGO (GW150914, GW151226, GW170104) i jedna detekcija niže pouzdanosti (LVT151012) upućuju na populaciju binarnih crnih rupa zvjezdane mase koje su, jednom spojene, veće od 20 solarnih masa - veće od onoga bilo je poznato i prije. (LIGO / Caltech / Sonoma State (Aurore Simonnet), CC BY-ND) **********
Ovaj najnoviji događaj, koji smo otkrili 4. siječnja 2017., najudaljeniji je izvor do sada. Budući da gravitacijski valovi putuju brzinom svjetlosti, kada gledamo vrlo udaljene objekte, tako se vraćamo i u vrijeme. Ovaj najnoviji događaj ujedno je i najstariji izvor gravitacijskog vala koji smo dosad otkrili, a dogodio se prije više od dvije milijarde godina. Tada je svemir bio za 20 posto manji nego danas, a na zemlji još nije nastao višećelijski život.
Masa posljednje crne rupe koja je zaostala nakon ovog posljednjeg sudara je 50 puta veća od mase našeg sunca. Prije prvog otkrivenog događaja, koji je težio 60 puta veću masu sunca, astronomi nisu mislili da se na taj način mogu stvoriti tako velike crne rupe. Dok je drugi događaj imao samo 20 solarnih masa, otkrivanje ovog dodatnog vrlo masovnog događaja ukazuje na to da takvi sustavi ne samo da postoje, već su i relativno česti.
Osim njihovih masa, crne se rupe također mogu okretati, a njihove vrtnje utječu na oblik njihove gravitacijske emisije valova. Učinke spin je teže izmjeriti, ali ovaj najnoviji događaj pokazuje dokaze ne samo za centrifugiranje, već i potencijalno za spin koji nije orijentiran oko iste osi kao binarna orbita. Ako se slučaj takve neskladnosti može ojačati promatranjem budućih događaja, to će imati značajne implikacije na naše razumijevanje načina na koji se formiraju ovi parovi crnih rupa.
U narednim godinama imat ćemo više instrumenata poput LIGO-a koji slušaju gravitacijske valove u Italiji, Japanu i Indiji, učeći još više o tim izvorima. Moje kolege i ja još uvijek s nestrpljenjem čekamo prvo otkrivanje binarnog materijala koji sadrži barem jednu neutronsku zvijezdu - vrstu guste zvijezde koja nije bila dovoljno masivna da bi se srušila sve do crne rupe.
Većina astronoma predviđala je da će se prije spavanja crnih rupa promatrati parovi neutronskih zvijezda, pa će njihova stalna odsutnost predstavljati izazov teoretičarima. Njihovo eventualno otkrivanje olakšat će niz novih mogućnosti otkrića, uključujući mogućnost boljeg razumijevanja izuzetno gustih stanja materije i potencijalno promatranje jedinstvenog svjetlosnog potpisa korištenjem konvencionalnih teleskopa iz istog izvora kao i signal gravitacijskog vala.
Također očekujemo da u narednih nekoliko godina iz svemira otkrije gravitacijske valove, koristeći vrlo precizne prirodne satove zvane pulsari, koji šalju eksplozije zračenja na naš način u vrlo pravilnim intervalima. Na kraju planiramo smjestiti izuzetno velike interferometre u orbitu, gdje oni mogu izbjeći trajno tutnjanje Zemlje, što je ograničeni izvor buke za napredne LIGO detektore.
Skoro svaki put kada su znanstvenici izgradili nove teleskope ili akceleratore čestica, otkrili su stvari koje nitko nije mogao predvidjeti. Kao što su uzbudljive koliko i poznate mogućnosti za otkriće u ovom novom polju gravitacijske valne astrofizike, kao teoretičara najviše me uzbuđuju nepoznata čuda koja nas još čekaju.
Ovaj je članak prvotno objavljen u časopisu The Conversation.
Sean McWilliams, docent fizike i astronomije na Sveučilištu West Virginia
