Otkriveno kako funkcioniše gravitacija

Sve mase, bez obzira na veličinu, privlače druge mase s gravitacijom.


Darko Donevski

Nakon otkrića ubrzanog širenja svemira krajem 90-ih godina prošlog veka, nijedno kosmološko otkriće nije probudilo ovako veliko pažnju javnosti kao što je detekcija (prvi put u istoriji nauke) gravitacionih talasa. Ovu vest je objavila danas NASA na konferenciji za medije u 17 časova po našem vremenu.

Detaljna mapa mikrotalasnog zračenja napravljena teleskopom PLANCK prikazana je na vrhu ovog teksta. Razlike u temperaturi označene su crvenim i plavim tačkama, i ta razlika oslikava varijacije koje su se dešavale u ranom Univerzumu. Zadatak današnjih misija je da nađu njihove uzročnike.
Nauka je stalno u pokretu, veliki i skupi projekti se odvijaju širom sveta, ali je takođe uočljivo da neka fundamentalna pitanja i dalje ostaju bez odgovora. Jedno od njih je svakako problem gravitacije. Iako još od ranog detinjstva saznajemo (empirijski) da je ona prisutna, i iako je njenu osnovnu formulaciju Isak Njutn objavio pre skoro 400 godina, naučnici još uvek tragaju za odgovorom na pitanje ko prenosi tu silu i da li je gravitacioni talas moguće nekako detektovati?

 Planck teleskop

Sa druge strane, ništa manja misterija nije ni potraga za inicijalnim uslovima iz kojih se dogodio Veliki prasak. Kombinacija ova dva velika kosmološka pitanja zato se čini još komplikovanijim problemom.
Hajde prvo da kažemo ponešto o samom Velikom prasku, toliko često pominjanom u medijima i svakodnevnim raspravama. Na osnovu čega verujemo da gravitacioni talasi zaista postoje? Naime, poslednjih decenija, nekoliko otkrića je dovelo do nedvosmislenog zaključka da se svemir ubrzano širi (otkriće mikrotalasnog zračenja, a kasnije i merenje fluktuacija u temperaturi istog tog zračenja) - za to su dodeljene i Nobelove nagrade, poslednja 2011. godine upravo timu koji je računao kojom brzinom svemir uvećava svoju "zapreminu". Kako onda takve zaključke povezujemo sa prošlošću, tj. šta nam neravnomerna temperatura svemira i njegovo širenje mogu reći o prvim trenucima nastanka?

primordijalna polarizacija B-mode  poznata  i pod imenom kosmičko mikrovalno pozadinsko zračenje (CMB).

Kada se uradi ekstrapolacija (predviđanje ponašanja sistema na osnovu poznatih podataka) od današnjeg ka prošlom kosmičkom vremenu, Ajnštajnova teorija relativnosti navodi nas na zaključak da su u nekom vremenskom trenutku daleke prošlosti (najnovija merenja sugerišu da su to bilo pre 13.772 milijardi godina) temperatura i gustina bile beskonačno velike. Ako se malo prisetimo matematike iz srednje škole, zaključićemo da je sa tako velikim (infinitnim) vrednostima nemoguće definisati neku funkciju. Drugim rečima, opšta teorija relativnosti u takvoj sredini prestaje da važi! Od tog momenta, primat preuzimaju kvantni efekti koji su trajali svega 10^-43 sekundi! Bez obzira na tako sićušnu vrednost, ono što mislimo da se izdešavalo u tom deliću vremena zapravo čini osnov svega ostalog što danas posmatramo u Kosmosu.

U kontekstu fizike čestica, najvažnija stvar koju Ajnštajnova opšta relativnost predviđa jesu upravo gravitacioni talasi. Oni nastaju u procesima koji sadrže intenzivno oscilovanje prostor-vremena, na primer stapanje centara galaksija ili pak dvojnih sistema kompaktnih kosmičkih objekata (crne rupe, neutronske zvezde). Za jedno takvo otkriće, doduše posredno, dodeljena je Nobelova nagrada 1993. godine astrofizičarima Tejloru i Hulsu.

Oni su pokazali gravitacioni uticaj u trajnom smanjenju perioda orbite dvojnih neutronskih zvezda. Vreme raspada takve orbite prema teoriji relativnosti savršeno je potvrđeno merenjima ove dvojice naučnika. Međutim, da bi se i direktno pronašli i detektovali gravitacioni talasi, potrebni su mnogo moćniji sistemi.

Šta je značaj ovog otkrića i kako se do njega došlo?

Prvo treba da objasnimo šta je BICEP (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization). U pitanju je osetljivi radio teleskop koji je sastavljen od 98 osetljivih detektora ( vidi dodatak na kraju teksta- prema nekim izvorima detektora ima više, prim.  ) koji se nalaze na Južnom Polu, a frekvencija talasa koji se snimaju je između 100 i 150 GHz. Zapravo, ono što BICEP meri jeste polarizacija (orijentacija električnog polja tog talasa) u prostoru. S obzirom da danas znamo da svemir ispunjava "kosmičko pozadinsko zračenje" koje je zapravo ništa drugo nego "ohlađeno" zračenje zaostalo iz vremena ranog kosmosa, tada BICEP merenja dobijaju na važnosti, jer direktno mere vrlo osetljive promene koje teorija predviđa da su se dogodile u onih majušnih 10^-43 sekundi.

	BICEP detektor na Južnom Polu

Jedno od najvećih i najsmelijih teorija je teorija po kojoj je svemir naglo povećao svoju zapreminu za svega nekoliko milijarditih delova sekunde - tačnije, pretpostavka je da je širenje bilo toliko brzo i veliko, da je temperatura opala za 100 000 stepeni! Važna posledica toga jeste predviđanje da sve što se desilo u tom kratkom, ali šokantnom periodu svemirske istorije, potiče od gravitacionog kolapsa izazvanih kvantnim fluktuacijama. Dakle, ono što se desilo u inflaciji odgovorno je za izgled spektra pomenute mikrotalasne pozadine. Odatle i ideja da se istraže gravitacioni efekti.



Problem je, međutim, što je kosmička mikrotalasna pozadina mnogo jača od gravitacione pozadine. Takođe, još mnogo drugih efekata otežava merenja, poput galaktičke prašine ili polarizacije koje potiče od jakih radio-galaksija. Prema tome, BICEP je na Južnom Polu snimao promene u zračenju koje je poteklo od vremena kada je naš svemir bio svega 380 hiljada godina star, i kada je bio dovoljno prozračan da pusti te fotone da otputuju na sve strane vidljivog Kosmosa.

BICEP2 signal

Efekat koji su naučnici detektovali u ovom slučaju je jedinstvena osobina gravitacionih talasa – da “skupe” Univerzum u jednom pravcu tako da izgleda topliji na datoj mapi, a u drugom smeru da razvuku prostor, što na mapi oslikavaju hladnija mesta. Kao što smo pomenuli ranije, teškoća u analizi ovakvih efekata je ogromna jer se radi o razlikama u temperaturi manjim od sto hiljaditog dela Kelvina!

Ovo je kratak video o tome na koji način su snimljene pomenute fluktuacije.



Ovo otkriće otvara vrata za potvrdu velikih teorija koje su se trudile da objasne i predvide ponašanje svemira u ranim trenucima, pogotovo inflatornu teoriju koja je predvidela tačan vremenski razmak u kojem se enormna ekspanzija dogodila. Zbog toga smo od danas korak bliži konačnom odgovoru na večito pitanje – koji su bili početni uslovi koji su doveli do Velikog praska.

Više na Nature
(izvor)

           

 

 

 

Inflacija počinje tek od 380 000 godina nakon Velikog praska.
Snimak CMB (WIMP)

                                                    DODATAK


DETEKTORI

BICEP2 koristi oko 250 detektora polarizacije koji su veličine palca, i njima traži razlike u svetlu CMB-a ( zaostataka zračenje od vremena Velikog Praska)  s malih delova neba, a dobiva ih teleskopom iz dva okomita smera. Uređaj je na stanici Amundsen-Scott na Južnom polu, gde hladnoća i suv vazduh pružaju posebno pogodne uslove za posmatranje.

Pored detektora BICEP2, u potrazi za polarizacijom B-mode u CMB-u, u istraživanje su uključeni i projekti poput Atacama B-mode Search (ABS) sa Univerziteta  Princeton, eksperiment POLARBEAR sa Kalifornijskog univerziteta u Berkleyu, E i B Experiment (EBEX) sa univerziteta  u Minnesoti, Cosmology Large Angular Scale Surveyor (CLASS) sa univerziteta John Hopkins, kao i brojni drugi. S obzirom na to da su članovi tima videli tako jasan signal,  istraživanja sa tih detektora bi vrlo lako trebala potvrditi rezultate, ukoliko su oni stvarni.

Kako nastaje polarizacija svetlosti

U vesti o ovom istraživačkom poduhvatu piše da su  "fizičari pronašli lom u svetlosti nastao nakon Velikog praska. koje zapravo predstavlja prvu sliku gravitacijskih valova sa  posebnim 'zaokretnim obrazcem'  u više pravaca. Jedino su gravitacioni talasi ti koji su se nakon velikog praska mogli kretati kroz svemir a da proizvedu ovakav marker.

 
Gravitacioni talasi nastali širenjem kosmosa ostavljaju jedinstveni "otisak' zavojnice u kosmičkom mikrotalasnom pozadinskom zračenju (CMB). foto: BBC, BICEP2]

 

 

Gravitacijski valovi

 

Jedini izvor informacija iz Svemira  je svetlost, što ona vidljiva, što neki od drugih oblika elektromagnetnog zračenja: ultraljubičasto, infracrveno, radio, X ili pak gama. Iako je astronomima već decenijama bilo poznato da postoje gravitacioni talasi , te da bi u tkanju prostora trebalo da su ostavili neizbrisiv trag na najstarije svetlo na nebu - na čuvenu kosmičku mikrotalasnu pozadinu (već svima dobro poznati "sneg" na ekranima televizora jeste, zapravo, slika kosmičkog pozadinskog zračenja)  dokazi za njih su bili indirektni.

Polarizaciju svetlosti je bilo teško izmeriti i teorijski opisati nastanak i prenos ovakve svetlosti . Naime, svetlost koja dolazi do nas  je slabo polarizovana pa  treba mnogo veći detektor . Problem kod izračunavanja je taj što se ne zna šta se tačno dešava sa polarizovanim zračenjem koje prolazi kroz atmosferu kada u priču uključimo više nivoa od kojih svaki daje neki doprinos polarizaciji. Tek je Sir George Stokes jasno definisao polarizaciju kao merljivu osobinu svetlosti. On je pokazao da se zrak svetlosti može u potpunost i opisati pomoću četiri veličine: I (intenzitet), Q, U i V (  tri parametra opisuju stanje polarizacije svetlosti).

Polarizacija je, inače,  posledica talasne prirode svetlosti ( prenošenje oscilacija električnog I magnetnog polja )
Svetlost je, dakle, elektromagnetni  val,tj.  transferzalni pomak čestica ( kao val na vodi) pri kom električno i magnetno polje periodično menjaju  smerove (vidi sliku dole- valovi iscrtani sa crvenim strelicama pripadaju električnom polju, dok valovi iscrtani plavim strelicama pripadaju magnetnom polju).( izvor)

    

  

Polarizovana svetlost zapravo nastaje refleksijom/lomom svetlosti. Ukoliko svi talasi osciluju u istom pravcu onda kažemo da je svetlost linearno polarizovana. Ako se svetlost može razložiti u dva talasa koji osciluju u normalnim pravcima sa nekom faznom razlikom (“kašnjenjem”) između njih, onda kažemo da je svetlost eliptično polarizovana, dok je poseban oblik eliptične polarizacije kružna polarizacija. Uvođenje tri dodatne veličine  daje nove informacije, ali i komplikuje stvari.

 

 

 

 

                       

Izrazi na slici :
1.Incident ray je upadna zraka
2.Reflected ray je reflektovana zraka
3.Refracted ray je lomljena zraka
4.Point of incidence je tačka upada

 

 

BBC: Prof Alan Guth: "Experiment is Nobel Prize worthy"

BROJ r

Ustanovljeni signal je, po izveštaju, dosta jači nego što su se mnogi naučnici usudili da prognoziraju. To znači da oni egzotičniji modeli funkcionisanja kosmičkog širenja više nisu održivi.

Istraživači koji su upravljali detektorom BICEP2 prijavili su iznenađujuće velik broj za r (odnos fluktuacija gravitacijskih valova u CMB-u i fluktuacija koje uzrokuju smetnje u gustoći materije). Na osnovu mapa celog neba koje su dobijene zahvaljujući sondi Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP)  i satelitu Planck, ranije se procenjivalo da je taj broj manji od 0,11. Međutim, iznos koji je izračunao BICEP2 je 0,20.
(  do sada se smatralo da je u 10-37 sekundi stvaranja kosmos  počeo eksponencijalno da raste a zatim je ‘’materija pobedila antimateriju’’ – barjogeneza i u 10-6 sekundi već su nastali prvi protoni i neutroni, a za nekoliko minuta pojavili su se i prva atomska jezgra, pa elektroni u neprestano napredujućoj ekspanziji) .

„Sve zavisi o malom r“, izjavio je  Guth ( Alan Harvey Guth (1947) – američki fizičar i kosmolog, profesor fizike na Tehnološkom institutu Massachusettsa,   otac inflacijske teorije -teorije ekspanzije svemira zvanično  predložene 1981 godine)  „i to merenje malo menja stvari. Zapravo, modeli koji se prošlu nedelju više nisu smatrali upotrebljivima, sada se vraćaju u igru.“ Tako velika vrednost za r, na primer, upućuje na to da je inflacija počela i ranije nego što su neki modeli predviđali, tj. da je počela u jednom trilijunu trilijuna trilijuna sekunde nakon Velikog praska.

Vreme inflacije fizičarima daje podatke o  razmeri energije Svemira u vremenu kada se inflacija odvijala. Značaj iznosa r koji je odredio detektor BICEP2 može značiti da je to bio isti razmer energije pri kom su sve sile prirode, osim gravitacije (elektromagnetskih, jakih i slabih sila), mogle biti ujedinjene u jednu silu, a ova se ideja naziva Teorijom velikog ujedinjenja.

Novi pronalazak podupire ideju Teorije velikog ujedinjenja i eliminiše jedan broj modela inflacije koji ne prate takav razmer energije. ( teorije o postanku : Big Rip”/Veliko Cepanje, “Big Bounce”/Veliki Skok, “Big Crunch”/ Veliki Krah,  Steady State theory (teorija stabilnog stanja)).

Teorija velikog ujedinjenja predlaže postojanje novih polja koja deluju slično polju Higgs koje je povezano s česticom Higgsov bozon otkrivenom 2012. godine. Ta nova polja bi pokazala da i druge čestice, teže od Higgsovog bozona, postoje premda im je masa toliko velika da bi ih bilo nemoguće stvoriti u bilo kom tradicionalnom akceleratoru čestica.

izvor: SciAmerican

INFLACIJA

 

 

Senzacionalna priroda ovog otkrića nalaže da se podaci sa BICEP2 instrumenta podvrgnu intenzivnoj i detaljnoj proveri. Moguće je i da je CMB svetlost interagovala s kosmičkom prašinom u našoj galaksiji pa je, na taj način, proizvela sličan efekat. Ipak, BICEP2 grupa kaže da je pažljivo proverila svoje podatke nastale u protekle tri godine, i da, na osnovu njih, isključuje takvu mogućnost .

Ne mogu vam opisati koliko smo svi uzbuđeni", rekao je dr Džo Dankli, koji je dugo očekivani B - mod signal tražio preko evropskog svemirskog teleskopa Plank. "Širenje kosmosa zvuči kao suluda ideja, ali ovo sve što danas vidimo - galaksije, zvezde, planete - napravilo je svoj "otisak" u tom prvom trenutku, za manje od trilionitog dela sekunde. Ukoliko se ovi podaci potvrde kao verodostojni - svemir je ogroman."
izvor : Džonatan Ejmos, redakcija BBC Science


Objašnjenje koncepta kosmološke inflacije prostora: