U većini slučajeva otkrivanje efekata gravitacije nije tako teško. Padobranci jure prema zemlji onog trenutka kada izađu iz aviona, a zahvaljujući svemirskim teleskopima možete vidjeti kako svjetlost iskriva u zapanjujuće prstenove pomoću masivnih skupina galaksija. No, pokazalo se da je posebno teško otkriti gravitacijske valove, mrene u prostoru-vremenu koje je pokrenuo snažan kozmički događaj.
Povezani sadržaj
- Ove svemirske poslastice uključuju galaktičko osmješno lice i međuosovsku ružu
- Ne, nismo otkrili gravitacijske valove (još)
Većina dosadašnjih pokušaja tražila je način na koji se očekuje da bi prostorno-vremenske varalice utjecale na svjetlost i materiju. Sada znanstvenici u SAD-u i Izraelu misle da bismo valove mogli brže i jeftinije pronaći ako potražimo njihove učinke na vrijeme umjesto na prostor.
Lov za gravitacijskim valovima traje od 1916. godine, kada je Albert Einstein predvidio da bi oni trebali postojati kao dio njegove opće teorije relativnosti. Zaključio je da su prostor-vrijeme poput tkanine, a ono što mi osjećamo kao gravitacija, je zakrivljenost u toj tkanini uzrokovana masivnim predmetima. Poput kugle za kuglanje obješene u pokrivač, na primjer, naša ogromna planeta Zemlja zakrivljava prostor-vrijeme oko nje.
Teorija također sugerira da će se, kad se stapaju vrlo masivni predmeti poput crnih rupa, gravitacijski eksplozirati poslati pukotine koje se šire prema van kroz prostor-vrijeme. Otkrivanje njih ne bi samo nastavilo potvrđivanje Einsteinove teorije, već bi otvorilo novi prozor u svemir, jer bi znanstvenici mogli upotrijebiti gravitacijske valove za ispitivanje inače nevidljivih događaja u svemiru. No, dokaz gravitacijskih valova je nedostižan, velikim dijelom zato što valovi slabe dalje što dalje putuju, a mnogi izvori gravitacijskog vala nalaze se na rubu svemira, udaljeni milijarde svjetlosnih godina.
Prošle godine je eksperiment nazvan BICEP2 tvrdio da je otkrio slabe signale povezane s tipom primordijalnog gravitacijskog vala, proizvedenog naglim rastom rasta u ranom svemiru. Tvrdnja je ipak bila preuranjena, jer su kasnije analize smanjile samopouzdanje da je BICEP2 tim vidio više od vrtnje prašine na Mliječnom putu.
Planirana opservatorija eLISA Europske svemirske agencije, koja bi trebala biti lansirana 2034. godine, osmišljena je za otkrivanje različitih vrsta valova: gravitacijskih valova raspona milliherca ili niskofrekventnih valova nastalih spajanjem supermasivnih para crnih rupa. Znanstvenici su otkrili supermasivne crne rupe u središtima mnogih velikih galaksija, uključujući i našu. Predviđa se da koalescencija dviju takvih galaksija emitira gravitacijske valove koji se mogu širiti po svemiru. Da bi ih pronašao, eLISA će koristiti lasere za mjerenje sitnih promjena u razmaku flote svemirskih letjelica koje bi se trebale dogoditi kada prolazi gravitacijski val.
U novom radu Avi Loeb iz Harvard-Smithsonian centra za astrofiziku i Dani Maoz na Sveučilištu u Tel Avivu ističu kako bi nedavni napredak u vremenu mogao omogućiti atomskim satovima brže i jeftinije otkrivanje gravitacijskih valova nego eLISA. Oni iznose prijedlog niza atomskih satova smještenih na različitim točkama oko sunca koji bi mogli otkriti fenomen nazvan vremenska dilatacija, kad gravitacijski učinci mogu uzrokovati usporavanje vremena.
Kao i eLISA, njihov plan također zahtijeva svemirske letjelice u formaciji i komuniciranju pomoću lasera. Ali umjesto da prenose informacije o promjenama na daljini, laseri će pratiti sitne razlike u evidenciji između sinkroniziranih atomskih satova instaliranih na svemirskom brodu.
Predviđene vremenske promjene su malene: „Govorimo o jednom dijelu u milijun trilijuna u preciznosti vremena“, kaže Loeb. "Da biste otkrili takvu promjenu, potreban vam je sat koji neće dobiti, niti izgubiti samo desetinu sekunde, čak i ako bi djelovao 4, 5 milijardi godina, ili čitavo doba Zemlje."
Donedavno je ta vrsta točnosti bila izvan mogućnosti atomskog sata koji koristi element cezij, što je osnova trenutnog međunarodnog standarda čuvanja vremena. Ali početkom 2014. fizičari Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju (NIST) otkrili su eksperimentalni atomski sat s optičkom rešetkom koji je postavio nove svjetske rekorde u pogledu preciznosti i stabilnosti. Ti satovi djeluju na optičkim frekvencijama i tako pružaju veću točnost od atomskih satova cezija, koji se oslanjaju na mikrovalne pećnice.
Teoretski, optički atomski satovi mogu pružiti preciznost potrebnu za otkrivanje sitnih vremenskih pomaka predviđenih gravitacijskim valovima. Loeb i Maoz tvrde da bi njihov dizajn bio jednostavniji i mogao bi ih se postići uz manje troškove, jer bi zahtijevali manje moćne lasere od eLISA-e. Atomski satovi niže preciznosti već se koriste na GPS satelitima, pa Loeb smatra da bi trebalo biti moguće poslati i novu svemir atomskog sata u svemir.
Dvije svemirske letjelice postavljene na desnoj udaljenosti mogle su osjetiti i vrhunac i korito prolaznog gravitacijskog vala. (Loeb i dr., Arxiv.org) Najbolje postavljanje bilo bi par atomskih satova instaliranih na svemirskim brodovima koji dijele Zemljinu orbitu oko sunca. Glavna svemirska letjelica također bi bila u orbiti za koordinaciju signala koji dolaze iz takta. Obrt koji nosi sat trebao bi biti razdvojen na oko 93 milijuna milja - otprilike udaljenost između Zemlje i Sunca ili jedne astronomske jedinice (AU).
"To je lijepa slučajnost, jer jedna AU je približno jednaka polovini valne duljine za [niskofrekventni] gravitacijski val, poput one koju znanstvenici misle spajanjem supermasivne crne rupe", kaže Loeb. Drugim riječima, to bi bila upravo prava udaljenost da se osjeti i vrh i korita gravitacijskog vala koji prolazi kroz Sunčev sustav, tako da bi atomski satovi smješteni u ove dvije točke imali najveće vremenske učinke dilatacije.
Za sada takva misija ne postoji ni na jednom radnom mjestu ili prijedlogu proračuna svemirske agencije. No, Loeb se nada da će ideja pokrenuti pažljivije proučavanje alternativa eLISA. Projekt eLISA "imao je koristi od desetljeća rasprave, pa bismo trebali omogućiti da se ovaj alternativni dizajn prouči barem nekoliko mjeseci prije nego što ga odbacimo."
Loeb dodaje da postoje brojne praktične primjene preciznijeg atomskog sata u svemiru, poput bolje GPS preciznosti i poboljšane komunikacije. Smatra da bi prve satove s optičkom rešetkom mogla pokrenuti poduzeća u komercijalne svrhe, a ne vladine agencije. "Ako se to dogodi, svaka znanost koja iz njega izuzmemo bio bi nusprodukt", kaže on.
Jun Ye, fizičar sa Sveučilišta u Koloradu i kolega s NIST-a, kaže da Loeb i Maozov prijedlog "otvara novi intelektualni front" o korištenju optičkih atomskih satova za testiranje osnovne fizike, uključujući potragu za gravitacijskim valovima. "Optimističan sam u pogledu daljnjeg poboljšanja optičkih satova i njihove eventualne uporabe u takvim aplikacijama", kaže Ye.
