Znanstveni blog: Kaj so gravitacijski valovi?

Eksperimentalna potrditev obstoja gravitacijskih valov ni samo največje znanstveno odkritje leta 2016, ampak je mogoče celo največje odkritje 21. stoletja. V tem blogu bom poskusil pojasniti, zakaj.

Najprej korak nazaj: obstoj gravitacijskih valov je že leta 1916 na osnovi splošne teorije relativnosti napovedal Albert Einstein. Pred njim je v znanosti veljalo prepričanje (tako imenovana Newtonova teorija gravitacije), da se telesa med seboj privlačijo zaradi sile gravitacije, ki je odvisna zgolj od njihovih mas ter razdalj med njimi. Einstein pa je to teorijo nadgradil s konceptom prostor-časa.

Bistvo splošne teorije relativnosti je, da sta prostor in čas neločljivo povezana. Vsa telesa, ki imajo maso, prostor-čas ukrivljajo. V bližini masivnih teles čas teče počasneje. Sila gravitacije je neposredna posledica ukrivljenosti prostor-časa. Lahko rečemo, da se telesa privlačijo zaradi vdolbin v prostor-času. Bolj je neko telo masivno, bolj ukrivlja prostor-čas in na ta način bolj vpliva na druga telesa. Zemlja, na primer, potuje okrog Sonca po Sončevi vdolbini v prostor-času. Na enak način Luna in vsi umetni sateliti potujejo okrog Zemlje po Zemljini vdolbini v prostor-času. To si najlažje predstavljamo s ponjavo, po kateri zakotalimo frnikole z različnimi masami:

Informacijo o spremembi prostor-časa zaradi pospešenega gibanja enega ali večih masivnih teles prenašajo gravitacijski valovi.

Gravitacijski valovi potujejo natančno s svetlobno hitrostjo (299792,458 km/s). Predstavljajmo si, da v nekem trenutku Sonce izgine v nič (ga odstranimo iz Osončja). Svetloba potuje od Sonca do Zemlje 8 minut in 20 sekund. Prvih 8 minut in 19 sekund na Zemlji niti ne bi opazili, da Sonca že dobrih 8 minut ni več, saj svetloba še ne bi pripotovala do Zemlje. Točno po 8 min in 20 sekundah pa bi nas dosegla večna tema. In ne samo to. Sočasno z izgubo svetlobe bi Zemlja tudi iztirila iz svoje orbite okrog Sonca, saj bi informacija o neobstoju Sončevega ukrivljanja prostor-časa pripotovala z gravitacijskimi valovi do Zemlje.

Gravitacijski valovi, ki jih oddaja dvojna nevtronska zvezda, foto: R. Hurt/Caltech-JPL, NASA

Doslej smo bili pri opazovanju vesolja skorajda izključno omejeni na spekter elektromagnetnih valov (EM) (in nevtrinov ter kozmičnih delcev). In sicer se pri opazovanju vesolja za različne namene izkoriščajo vse mogoče valovne dolžine EM: od najkrajših v subnanometrskem področju (sevanja gama) prek rentgenske svetlobe (0,008−8 nm), ultravijolične svetlobe (10−400 nm), vidne svetlobe (400−760 nm), mikrovalov (1 mm−1 m) in do radijskih valov, ki imajo valovne dolžine od enega metra do velikosti vesolja.

Z zaznavanjem sevanja gama se opazujejo na primer najbolj visoko energijski dogodki v vesolju − izbruhi sevanja gama. V rentgenski in ultravijolični svetlobi lahko opazujemo jedra supernov, ki jih sicer ne moremo drugače videti, ker plin in prah blokirata vidno svetlobo. Opazovanja v vidni svetlobi so še vedno osnova (predvsem planetarne) astronomije, ki pa jo vse hitreje nadomeščajo ostali deli EM-spektra. Tako bo naslednik Hubblovega vesoljskega teleskopa − Vesoljski teleskop James Webb − infrardeči teleskop, saj le v infrardeči svetlobi lahko vidimo najbolj oddaljene galaksije (oddaljene deset in več milijard svetlobnih let), ki so nam v vidni svetlobi sicer skorajda nevidne zaradi kozmološkega rdečega premika. V mikrovalovih je bilo posneto prasevanje, kar je ena izmed osnov za izračun starosti vesolja − 13,8 milijarde let. Z radijskimi valovi so bili med drugim odkriti kvazarji, ki spadajo med najbolj oddaljene znane objekte v vesolju.

Kot smo lahko videli, z različnimi deli spektra EM-valov lahko opazujemo veliko število zelo raznolikih objektov vesolju. Vendar lahko na ta način preučujemo le štiri odstotke vesolja. Za preostalih 96 odstotkov vesolja ne vemo, kaj je. Neznani delež vesolja sestavljata temna snov in temna energija, ki predstavljata kar 23 odstotokov oziroma 73 odstotkov mase vesolja. Za temno snov vemo, da obstaja, ker s svojo gravitacijo vpliva na objekte oziroma snov, ki »sveti«. Vendar je ne moremo fotografirati, ker ne oddaja nobenih EM-valov. Z EM-valovi prav tako ne moremo videti črnih lukenj. Ali ni to nepredstavljiva škoda, da za kar 96 odstotkov vesolja ne vemo, kaj je? Doslej smo vesolje lahko kartirali skorajda izključno skozi spekter EM-valov, ki ima, kot smo videli, svoje omejitve.

Zato je eksperimentalna potrditev obstoja gravitacijskih valov tako izredno pomembna, saj nam bo v prihodnosti omogočila opazovati nekatere objekte, ki jih z drugimi tehnikami nismo mogli zaznati. Za temno energijo in temno snov sicer ne pričakujemo, da bi bili kje tako zgoščeni, da bi povzročili gravitacijske valove, ki bi jih lahko izmerili z napravami, ki jih imamo danes oziroma jih bomo imeli v bližnji prihodnosti. Primeri zaznavnih virov gravitacijskih valov pa so na primer eksplozije supernov in zlitja črnih lukenj. Izredno šibke gravitacijske valove oddajajo tudi planeti, ki se gibljejo okrog zvezd.

Rimska cesta, posneta v različnih valovnih dolžinah elektromagnetnega spektra. Foto: NASA

Prav tako kot elektromagnetni valovi imajo tudi gravitacijski valovi svojo valovno dolžino, vendar je ta običajno zelo zelo velika: od nekaj tisoč do nekaj milijonov kilometrov. Na drugi strani pa je njihova amplituda izjemno majhna in jih je posledično izjemno težko zaznati. Analogno z elektromagnetnimi valovi imajo tudi gravitacijski valovi svoj spekter, katerega določen del se nanaša na različne (že omenjene) vire gravitacijskih valov.

Preusmerimo zdaj pozornost na gravitacijske valove. Zakaj jih torej nismo zaznali in uporabljali v astronomiji že toliko prej, če že več kot sto let mislimo, da obstajajo? Odgovor je preprost: gravitacijske valove je res izjemno, skorajda nepredstavljivo težko zaznati, ker na telesa, ki jih prečijo, vplivajo le bežno. Niti Einstein ni verjel, da jih bo kdaj mogoče zaznati.

Ko gravitacijski val preči neko telo, ga za kratek čas sočasno nekoliko raztegne v eni smeri ter skrči v pravokotni smeri. Trenutek kasneje se situacija obrne: v prvi smeri se telo skrči, v drugi (pravokotni) smeri pa raztegne. Vendar je ta raztezek/skrček neznatno majhen. Raziskovalci observatorija LIGO, s katerim so prvi neposredno zaznali obstoj gravitacijskih valov, so merili, za koliko se spremeni razdalja med štiri kilometre oddaljenima zrcaloma. Vpliv gravitacijskih valov je odvisen od vrste, oddaljenosti in mase objekta. Observatorij LIGO lahko zazna raztezke/skrčke reda velikosti manjše od ene desettisočinke premera protona (10^-19 metra oziroma faktorja 10^-22). To je toliko, kot če bi se razdalja med Zemljo in najbližjo zvezdo (oddaljeno štiri svetlobna leta) spremenila za manj kot premer človeškega lasu.

Kako torej izmeriti tako zelo majhno spremembo razdalje (razdaljo milijardokrat manjšo od velikosti vodikovega atoma)? Zato so uporabili tehniko interferometrije, ki jo znanstveniki zelo pogosto uporabljajo za zelo natančne meritve in opazovanja (v mikroskopiji, astronomiji ...). Ta tehnika uporablja zelo koherenten in stabilen monokromatski laserski žarek. V delilniku žarkov se laserski žarek razcepi na dva kraka, ki potujeta v pravokotnih smereh do štiri kilometre oddaljenih zrcal. V teoriji laserska žarka potujeta naravnost do zrcal, kjer se odbijeta nazaj in se po nadaljnjih štirih kilometrih poti spet srečata v točno isti točki, kjer je nameščen detektor. Ker imata laserska žarka točno nasprotni fazi, se v tej točki (hribček in dolina vala) izničita. Zato v detektorju od njiju ne dobimo nobenega signala. Če pa skozi inštrument potuje gravitacijski val, se sočasno ena izmed poti laserskega žarka podaljša, pot drugega žarka pa skrajša (da, za tistih ≈ 10^-19 metra). Ko se odbiti svetlobi iz obeh laserskih žarkov vrneta nazaj v detektor, nista več popolnoma v nasprotni fazi. Zato z detektorjem lahko zaznamo interferenčni vzorec laserske svetlobe.

Zračni posnetek detektorja LIGO v Luisiani, ZDA, fotografija: LIGO laboratorij

Težava je ta, da mnogo drugih, Zemeljskih, pojavov povzroča vibracije in podobno velike ali še večje spremembe razdalj v krakih observatorija LIGO kot gravitacijski valovi. Zato je bilo pri izvedbi eksperimentov zelo pomembno, da so interferometer kar se da izolirali od vira vseh vibracij. Pa vseeno bi vsak najmanjši potres lahko sprožil lažen alarm.

Zato so pri eksperimentu LIGO uporabili dva identična inštrumenta, ki sta postavljena na odročnih krajih v Washingtonu in Luisani v ZDA in sta med seboj oddaljena 3002 kilometra. Meritvi gravitacijskih valov bi lahko verjeli le, ko oba inštrumenta ob skorajda istem času zaznata isti pojav.

In točno to se je prvič zgodilo 14. septembra 2015. Izkazalo se je, da gravitacijski valovi prihajajo od zelo močnega vira, ko sta se pred 1,3 milijarde let zlili dve črni luknji z masama 29 in 36 Sonca.

Tri mesece kasneje so na observatoriju LIGO zaznali še en podoben pojav, kar je naznanilo novo obdobje astronomije, ko opazovanje vesolja ne bo omejeno le na spekter elektromagnetih valov, ampak se bodo temu pridružile še meritve gravitacijskih valov.

Upodobitev približevanja dveh črnih lukenj, ki oddajata gravitacijske valove, foto: The SXS Project

Zgodba pa, upam, se tu ne konča. V načrtu je vesoljski observatorij gravitacijskih valov, ki bo še bolj občutljiv od observatorijev na Zemlji. Bodimo veseli, da živimo v obdobju takih neverjetnih odkritij. Odkritje bo avtorjem najbrž v kratkem prineslo tudi Nobelovo nagrado za fiziko.

Preberite še:

• Predavanje o gravitacijskih valovih na simpoziju Mednarodne astronomske zveze v Ljubljani (v organizaciji Univerze v Novi Gorici)

• Video pogovora z znanstveniki, ki so odkrili gravitacijske valove

***

Bojan Ambrožič je magister inženir geologije, zaposlen na Institutu Jožef Stefan, in avtor spletnega bloga, ki ga piše izključno iz močne strasti in veselja, pa tudi zato, ker mu omogoča, da ima »v lasti« majhen košček interneta, kjer je svoboden.