Teorija strun in dimenzije v prostoru

Down the Rabbit Hole

2c. Gravitacijski valovi

Zgodovinsko odkritje gravitacijskih valov

Iz ameriškega observatorija LIGO so sporočili, da jim je prvim v zgodovini uspelo zaznati gravitacijske valove. Iskali so jih sto let, odkar jih je napovedal slavni fizik Albert Einstein.

GVV

Gravitacijski valovi so motnje v “tkanini” čas-prostor, LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) pa je največji detektor zanje na Zemlji. In kot kaže, jih je našel. S tem je po stotih letih potrjen del splošne teorije relativnosti, kot jo je napisal slavni fizik Albert Einsten, človeštvo pa je dobilo povsem nov način “gledanja” vesolja.

O obstoju gravitacijskih valov so do zdaj našli le posredne dokaze. Nekatere binarne zvezde se namreč obnašajo natanko tako, kot napoveduje teorija – brez teh valov bi se drugače. Za to odkritje sta leta 1993 dva fizika prejela Nobelovo nagrado.

Poenostavljeno se da učinek gravitacijskih valov na “tkanino” prostor-čas primerjati z roko, ki potegne po vodni gladini.

Kako deluje LIGO
LIGO je veliko lasersko ravnilo. Je kompleks, v katerem dva laserska žarka neprestano merita, ali tam štirje kilometri ves čas res merijo točno toliko – ali pa se morda razdalja zaradi spreminjanja prostora ne krajša ali daljša.

V osnovi je to ogromna stavba, iz katere izvira laserski žarek. Ta se kmalu razdeli na dva kraka, pravokotna drug na drugega. Vsak krak je dolga, vakuumska cev. Na njenem koncu je ogledalo, ki žarek odbije nazaj v izvor. Žarka se torej po odbitju nazaj spet združita na začetku.

Ker imata razdeljena žarka povsem enaki valovni dolžini, se ob ponovnem srečanju odštejeta oziroma “uničita”. Če pa se prostor zaradi težnostnih valov v katerem izmed krakov skrči ali razširi, se ne odštejeta več, saj vrhovi in doline valov niso več povsem sinhronizirani. Pride do interference in signala, ki ga zazna detektor.

Zares pretanjene spremembe
Vsaj tako so si delovanje zamislili, ko so LIGO gradili. Načrtovan je bil, da zazna spremembo v dolžini, primerljivo s tisočinko premera protona. Težava je v tem, ker je postavljen na Zemlji, kjer mrgoli motenj, in zelo težko je zanesljivo zatrditi, da se je ta droben premik zgodil ravno zaradi gravitacijskih valov. Zato je LIGO obenem ena največjih vakuumskih komor na Zemlji (obe štirikilometrski cevi sta takšni), da laserske svetlobe ne bi zmotili naključne molekule plinov. Detektorji pa so postavljeni na kompleksen mehanizem, ki poskuša utišati še najbolj pretanjene seizmične motnje.

Pa še ena podrobnost: za večjo zanesljivost so postavili kar dva takšna detektorja, vsakega na svojo obalo ZDA z medsebojno razdaljo več kot 3.000 kilometrov. Pri takšnem razmiku je možnost naključnega simultanega signala toliko manjša.

Dokončna potrditev
Prav to se je zgodilo: na obeh detektorjih so zaznali so signal, ki nikakor ni naključen, so na tiskovni konferenci sporočili predstavniki LIGA. Ta signal je po njihovih besedah povzročil zelo silen dogodek: trčenje dveh črnih lukenj, ki sta se ob tem združili.

Govorec LIGA je zatrdil, da so preverili vse alternative in vse možnosti in da so popolnoma prepričani, da je efekt zagotovo povzročil gravitacijski val. Kar so zaznali, se povsem sklada s tem, kar je Einstein napovedal za tak dogodek. Znanstveni članek je objavljen v Physical Review Letters.

Sam dogodek se je zgodil pred 1,3 milijarde let, na Zemlji pa so ga zaznali 14. septembra lani. Signal so na obeh obalah ZDA prejeli z manjšim zamikom (0,007 sekunde). Ta je točno tak, da kaže, da je gravitacijski val potoval s hitrostjo svetlobe. To govori v korist hipoteze, da težnost prenaša (hipotetični) delecgraviton, ki naj ne bi imel mase in bi zato lahko potoval s tako hitrostjo.

Iz signala so lahko razbrali, da se je pri združenju dveh črnih lukenj sprostilo toliko energije, da se je njuna skupna masa zmanjšala za tri Sonca. Od začetka sta imeli ločeno 29 in 36 mas Sonc. S tem so tudi z znanstveno visoko gotovostjo potrdili obstoj črnih lukenj, so povedali na tiskovni konferenci.

Dogodek se je zgodil nekje na južnem nebu v smeri Velikega Magellanovega oblaka, toda točnega položaja jim ni uspelo določiti.

Mednarodno sodelovanje
LIGO deluje že dolgo. Od leta 2002 do 2010 je šel skozi prvo fazo iskanja, a povsem brez uspeha. Septembra lani je konzorcij končal večjo nadgradnjo instrumentov, ki je – očitno – zadostovala. Za LIGOM stoji mednarodna znanstvena skupina, ki združuje 90 ustanov iz 15 držav sveta.

Kaj je gravitacijsko valovanje
Že zdavnaj so dokazali, da težnost krči “tkanino” čas-prostor, podobno, kot lubenica ukrivi razpeto rjuho, če sadež položimo nanjo. Toda to je le ukrivljenost, ne pa gravitacijsko valovanje. To nastane v posebnih primerih: ko se zelo masivna telesa pospešujejo ali nenadoma spremenijo smer.

To se navadno zgodi v binarnih sistemih, ko dve telesi krožita v paru okoli skupnega težnostnega središča, denimo dvojne črne luknje, binarne zvezde, lahko pa tudi nekatere nevtronske zvezde. Če se dve črni luknji približujeta druga drugi, pospešujeta svoje kroženje, in to je tisto, kar razpošlje motnje v prostor-času daleč naokoli.

Težnostno valovanje je povezano tudi z visokoenergijskimi dogodki, kot so eksplozije zvezd (supernove) – ali celo sam veliki pok.

Gravitacijski valovi, ki pri tem nastanejo, so kljub nepredstavljivo visokim oddanim energijam zelo, zelo šibki in majhni. Le kot primer: prostor med dva milijona kilometrov oddaljenima objektoma se skrči za milijoninko milijoninke metra. Tudi zato so jih desetletja neuspešno poskušali zaznati s površja Zemlje, saj je tudi planet sam moteč dejavnik.

Nov način “gledanja vesolja”
Težnostno valovanje ima številne lastnosti, ki lahko marsikaj povedo o njegovem izvoru. Valovna dolžina, amplituda, frekvenca, polarizacija … to so tudi lastnosti elektromagnetnega valovanja oziroma svetlobe, glavnega medija, s katerim človeštvo opazuje vesolje. In zdaj ima na voljo še en medij, ki lahko pove še marsikaj več. Gravitacijskih valov namreč ne zaustavljajo prah, plini in druge ovire, temveč potujejo kar skozi snov. Toda znanstveniki in inženirji bodo morali najti primerne tehnične rešitve, ki omogočajo kaj več od golega zaznavanja obstoja.

Morda bo k temu kaj prispevala misija LISA Pathfinder. Evropska vesoljska agencija (Esa) je namreč na “sladko” gravitacijsko točko L1 med Zemljo in Soncem poslala satelit, ki bo težnostne valove iskal in meril s pomočjo dveh kock iz platine in zlata v svojih nedrjih. Ti sta oddaljeni natanko 38 centimetrov in Esina znanstvena ekipa že meri, ali se bo to kaj spremenilo.

LIGO je torej svoj dosežek predstavil ravno v trenutku, ko “konkurenčna” misija začenja delo. Esa je LIGU poslala čestitke, LIGOvi znanstveniki pa so na tiskovni konferenci izrazili željo, da Nasa “popravi napako” in se spet pridruži Esinemu projektu Lisa.

O začetku časa
Odkritje je dober znak tudi za razumevanje nastanka vesolja. Po uveljavljeni razlagi začetka časa je namreč vesolje neposredno po velikem poku šlo skozi izjemno kratko (drobec sekunde), a izjemno hitro širjenje prostora. Po teoriji inflacije se je takrat vesolje širilo veliko, veliko hitreje od hitrosti svetlobe. Po Einsteinovi teoriji bi tako silen dogodek nujno povzročil gravitacijske valove. Natančneje, prvinski gravitacijski val, ki – če teorija drži – v 14 milijardah let ni niti dvakrat zanihal in je velik kot vesolje samo. Odkritje LIGA je dodaten košček sestavljanke v prid tej teoriji, saj smo zdaj lahko vsaj prepričani, da gravitacijski valovi sploh zares obstajajo.

Znan je sicer lažni alarm izpred dveh let, ko je znanstvena ekipa za teleskopom BICEP2 napačno interpretirala podatke in ocenila, da je zaznala odtis teh primarnih valov na kozmičnem mikrovalovnem sevanju ozadja. Čez kako leto je odkritje sama sebi spodkopala in dokazala, da ne drži.

Na LIGU medtem pravijo, da je tokratno odkritje le začetek in nestrpno pričakujejo nove silne dogodke iz prostranstev vesolja, ki bodo pustili posledice na njihovih detektorjih.

Aljoša Masten
RTV SLO 11. februar 2016

Written by otiss

februar 18, 2016 at 8:38 am

%d bloggers like this: