Gravitacioni talasi - februarsko otkriće koje je zatalasalo svet

 

 

 

 

    Gravitacioni valovi omogućavaju  potpuno novi pogled na svemir, koji se do sada mogao posmatrati samo pomoću svetlosti ili elektromagnetskog zračenja.„Vid, sluh, dodir, ukus, miris, sva ljudska čula oslanjaju se na svetlost. Ali sada najzad možemo da koristimo i gravitaciju, što je zaista neverovatno." Alan Dafi. 

     "Uz pomoć gravitacionih talasa, trebalo bi da budemo u stanju da vidimo skroz do početka. Možda i najvažnije, siguran sam da postoje stvari koje nikad nismo videli, koje možda nikad nećemo moći da vidimo i koje čak ni ne zamišljamo - stvari koje ćemo jedino da otkrijemo sa njima."Alan Adams. 

   Naravno, ovo je početak gravitacione astronomije, revolucije u istraživanjima kosmosa.   Pošto je 96% svemira tamno, nenaelektrisano, gravitacioni talasi će pomoći da se direkno posmatra taj deo svemira, karakteristike kompleksnih i ekstremnih astrofizičkih sistema poput veoma gustih jezgara galaksija, sve dinamičke procese kao što su gravitacioni kolapsi, rotacija pulsar, sudara neutronskih zvezda, koje su milionima svetlosnih godina udaljene, i da istražuju regione veoma bliske horizontu događaja crnih rupa I  sam Veliki prasak. Njene perspective su, jednom reči, ogromne.

 

 LIGO ( Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory)

 februar 2016

 

Press konferencija naučnika održana 11. februara u Louisiani (SAD) „zatalasala“ je celi svet. Tim naučnika sa američkog eksperimenta LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory), zajedno sa saradnicima iz Evrope (VIRGO interferometar u Italiji), objavio je naučni rad  o detekciji gravitacionog talasa nastalog usled sudara dve crne rupe od oko 29, odnosno 36 sunčevih masa, kataklizmičkog događaja koji je pretvorio masu tri solarna sistema u čistu energiju za desetinku sekunde, a koji se dogodio na udaljenosti od 1,3 milijarde svetlosnih godina od nas.

Pre nego što su se sudarile crne rupe su se vrtele  jedna oko druge 100 puta u sekundi. Kad su se spojile, objašnjava doktor Alan Dafi, profesor astronomije na Univerzitetu Svinburn, rezultujuća crna rupa je bila 62 puta masivnija od našeg Sunca. Oslobođena energija bila je 8.5 milijardi biliona biliona puta veća od nuklearne bombe iz Hirošime.

Za taj kratak vremenski interval, "blesak" je bio svetliji od svih zvezda u svim galaksijama u svom poznatom univerzumu. Međutim crne rupe nisu oslobodile energiju u vidu svetlosti. Sva ta energija je upumpana u samo tkanje prostora i vremena zbog čega je univerzum eksplodirao u vidu gravitacionih talasa.
Usput valja napomenuti da se gravitacioni talasi  na putu ostaju nepromenjeni ( slabo ineraguju sa materijom ) te čuvaju potpunu informaciju o izvoru.

 LIGO otkriće naučnici su držali u tajnosti  sve do objavljivanja u  Review of Physical Letters. Dr Dafi kaže da je LIGO tim tražio od svih teleskopa na svetu da se usmere ka delu neba na kom su se crne rupe sudarile, u nadi da će otkriti još dokaza ove eksplozije. „Praktično je bila u pitanju najintenzivnija pretraga ikada izvedena, a nekako je prošla u skoro savršenoj tajnosti sve dok nismo bili stoprocentno sigurni."

ZVUK SVEMIRA

“LIGO radi više kao uho nego kao oko”,   izjavio je Scott Huges, teoretski fizičar na MIT-u koji je sarađivao na LIGO-u još od samog početka tog projekta 1992. Huges se mučio s pitanjem koje se nalazilo u samome srcu programa observatorija – jednom kada čujemo gravitacijske valove, kako ćemo znati odakle dolaze? Kako ćemo ih moći koristiti da bi istraživali misterije svemira? U tu je svrhu Huges modelovao ‘zvukove’ brojnih astrofizičkih događaja, uključujući i sudaranje crnih rupa.

Trenutno na Zemlji, detektori kao što su LIGO, VIRGO, GEO i TAMA testiraju frekvencije od 30 do 1000 Hz.

 Kretanje kroz  prostor-vremena poteklo od dve crne rupe nije moguće "čuti". Zvuk se ne prostire kroz svemir, ali je moguće generisati zvučni talas koji bi odgovarao gravitacionim talasima. Da bi  mogli čuti gravitacijske valove,  naučnici LIGO kolaboracije su, dakle,  dobijene informacije pretvorili u nama čujne valove, odnosno frekvencije  gravitacionih talasa su pretvorene u zvučne talase i dobijen je zvuk koji fizičari nazivaju čirp.

CRNE RUPE . Ova detekcija je i prva potvrda postojanja crnih rupa.  Naučnici su bili manje-više sigurni da one postoje, ali ovo je prvi dokaz. „Ali ovako taj detalj niko neće ni pomenuti – toliki je značaj otkrića gravitacionih talasa."-  izjavio je doktor Alan Dafi.

(Ton i jačina zvuka se menjaju sa promenom brzine kojom crne rupe kruže jedna oko druge . Najekstremnija kolizija ikad zabeležena u svemiru zvuči kao klavirsko srednje C," kaže Dafi. )





Na LIGO eksperimentu angažovano je više od hiljadu naučnika i inženjera. Broj instituta sa kojeg dolaze autori koji su potpisani na publikaciji objavljenoj  u časopisu Physical Review Letters je veći od sto.

 Gravitacione talase su dugo vremena neki naučnici  smatrali samo matematičkim artefaktom jednačina, ukoliko su I postojalismatralo se da ih je nemoguće detektovati. Detektovanje je  zahtevalo izrazito precizan instrument. Džozef Veber, američki fizičar, izumio je i napravio mašine sastavljene od aluminijumskih cilindara i antenna. Sa njima se nije uspelo detektovati talase ali su bile jako isnpirativne.  Tih godina je došlo do nekih ključnih astronomskih opservacija. LIGO je product trojice naučnika Rej Vajsa sa MIT-a, Kip Torna i Ronalda Drevera sa univerziteta Kaltek Kip Torn, jedan od njih,  doba otprilike do 1975. godine,  naziva ”zlatnim dobom opšte relativnosti”.

šematski prikaz LEGO detektora

Krajem 60-tih i tokom 70-tih, Rajner Vejs sa MIT-a, heroj dana kao jedan od mozgova iza LIGO tehnologije, prvi put je počeo da se bavi mogućnostima detekcije gravitacionih talasa koristeći laserski interferometer. Detektor gravitacionih talasa je ništa drugo do antena podešena da “čuje” talase na onoj frekvenciji koja najviše “obećava”. Kolika je onda talasna dužina zračenja koje je LIGO detektovao? Upravo onoliko kolika je i dimenzija celog sistema – dakle, nekoliko hiljada kilometara!
Preciznost detektora je izuzetna, ali problem predstavlja šum koji izazivaju seizmički talasi, i termalno zračenje. Gravitacija je slaba sila. Merenje tih stvari bilo je izrazito teško jer šum koji Svemir poseduje mnogo jače zrači od gravitacionog šuma.

 

 

 

 

 

Oba LIGO uređaja su u SAD-u, jedan detektor se nalazi u Livingstonu, dok je drugi smešten u Hanfordu. Razdvojeni su 3000 km

 

Prvi signal, nazvan GW150914 snimljen je 14. septembra 2015. godine, svega nekoliko meseci nakon što su obnovljeni LIGO detektori ponovo pušteni u rad nakon dvogodišnje pauze i postavke novih, osetljivijih instrumenata.
Obzirom na slabu čujnost gravitacionih talasa potpuno je fascinantan podatak o poklapanju amplitude i faze detektovanog LIGO signala sa predviđanjima teorije gravitacije.

 

 

 

 

Koristeći lasersku tehnologiju i polupropusna ogledala u LIGO su dve laserske zrake kontrolisano propuštali u 4km dugačke vakuum tunele gde su ih sedamdeset i pet puta „izvrtili u krug“ te ih u konačnici usmerili ka detektoru fotona. Ideja je da se laserski zraci kreću uz i niz cevi, odbiju se od ogledala na drugom kraju pa se vrate; kad se zraci ponovo susretnu u LIGO centru, trebalo bi da se uzajamno potiru," objašnjava doktor Alan Dafi . Ali ako je jedan od zraka prešao neznatno veći put, to znači da su ga izdužili gravitacioni talasi kojima je zračila crna rupa. „U tom slučaju se neće idealno poklopiti, što znači da će mala količina svetlosti dospeti do detektora." Upravo su to zabeležili naučnici u LIGO kompleksu 14. septembra 2015. godine

 

 

Šta su gravitacioni talasi?

16. februar 2016

U Opštoj teoriji relativnosti u stvari ne postoji sila gravitacije! Umesto toga svaka masa na precizan način krivi oko sebe prostor i rasteže vreme.

Zamislimo da neki svemoćni vanzemaljac pomeri Sunce dalje od Zemlja. Po Njutnovom zakonu tog istog momenta planeta Zemlja bi osetila slabiju silu gravitacije Sunca.
Hajgens, Lajbnic i drugi fizičari 17. veka protestvovali su da je ovakvo trenutno “dejstvo na daljinu” absurdno i da gravitacija mora da se prenosi nekim medijumom. Njutn se u principu slagao, ali je pragmatično dodao svoj čuveni iskaz da o tome za sada ne može ništa da se dedukuje iz posmatranja a da “hipotezama nema mesta u eksperimentalnoj filozofiji.” Dovoljno je, kaže, da zakon gravitacije objašnjava svu silu pojava koje vidimo i koje možemo da merimo.
Tako je i bilo za narednih dvesta i više godina. Uspeh Njutnove teorije gravitacije je izgradio sliku svemira kao preciznog časovnika koji radi na principu kauzalnog determinizma. To je još uvek najvećim delom naša percepcija sveta i osnova našeg tehnološkog razvoja.
Međutim kada su krajem 19. veka fizičari shvatili da druga tada poznata sila, elektromagnetna sila, ne može da se opiše kao interakcija kroz mehanički medijum, već kao novo fundamentalno fizičko polje u prostoru, polako se pojavila ideja da možda na sličan način može da se opiše i gravitacija?
“Dedukciju iz posmatranja,” koju je pomenuo Njutn, tada je izveo Ajnštajn i to je zaista dovelo do formulacije gravitacije kao teorije fizičkog polja. Ali ono što je Ajnštajn postigao sa Opštom teorijom relativnosti na veliko iznenađenje otišlo je korak dalje: gravitacija nije fizičko polje u prostoru već se ispoljava kroz svojstva samog prostora, tačnije prostora i vremena.
U Opštoj teoriji relativnosti u stvari ne postoji sila gravitacije! Umesto toga svaka masa na precizan način krivi oko sebe prostor i rasteže vreme. Kada neka planeta, kometa, ili zrak svetlosti prolaze pored Sunca, oni ne odstupaju od inercijalne, pravolinijske putanje zato što na njih deluje sila. U Ajnštajnovoj slici oni se i dalje kreću po inerciji, ali po “šinama”koje je već zakrivila masa Sunca.

 

 

Gravitaciona mreža- "Šine" koje je zakrivila masa Sunca Izvor

 

Naoko može da izgleda da je to samo promena u jeziku i opisu ali radi se o promeni suštine. Ajštajnova slika svodi se na Njutnovu kada su zakrivljenost prostora I vremena mali. Zato je moguće najvećim delom opisati kretanja planeta, aviona, ili svemirskih brodova koristeći pojam sile gravitacije i njen Njutnov zakon. Ali kada su krivine prostora i vremena velike, Njutnova slika se ne slaže sa merenjima, pojam sile nestaje, i adekvatan opis je moguć samo kroz jednačine i pojmove Opšte teorije relativnosti.
Takav je slučaj sa gravitacionim talasima. U Njutnovom opisu gravitacije oni ne postoje. U Ajnštajnovoj slici, krivina prostora i vremena u svakoj tački data je gustinom mase i energije u toj istoj tački. Ako malo pomerimo Sunce, to je promena gustine mase i u staroj i u novoj poziciji, koja onda menja krivine prostora i vremena u njima, što menja iste veličine u obližnjim tačkama prostora i u narednom momentu vremena, a odatle u daljim tačkama i momentu vremena posle toga, itd.
Drugim rečima, promena krivine prostora i vremena se širi kroz prostor. To je gravitacioni talas.

 

Gravitacioni talas Izvor

 

Zvučni talasi su vibracije materijalnog medijuma, recimo vazduha. Elektromagnetni talasi su vibracije fundamentalnog elektromagnetnig polja koje postoji u prostoru. Gravitacioni talasi su vibracije samog prostora i vremena.
I elektromagnetni i gravitacioni talasi prostiru se brzinom svetlosti.

LIGO tunel

Izvori gravitacionih talasa

17 februar 2016

Elektromagnetni talasi se emituju kada je neka naelektrisana čestica ubrzana, a gravitacioni talasi kada je neka masa ubrzana, ali tako da ne postoji sferna simetrija u njenom kretanju.
Takav je slučajna primer sa planetom u orbiti oko Sunca. Ali zbog velikog međusobnog rastojanja u takvoj situaciji ubrzanje planete je malo (a Sunca još manje) pa je i gravitaciono zračenje slabo i ispod nivoa svake detekcije.

Efekat je veći kod tesnih dvojnih zvezda, jer njihove mase su veće a međusobno rastojanje manje, pa je ubrzanje obe zvezde, svake u svojoj orbiti, veće. Međutim, efekat je najveći kada imamo par kompaktnih objekata:  par neutronskih zvezda, neutronsku zvezdu i crnu rupu, ili par crnih rupa. To su objekti sa masama kao zvezde, čak kao masivne zvezde u slučaju crnih rupa, ali zbog njihovih malih razmera njihova međusobna rastojanja mogu da se svedu na samo stotinak ili desetak kilometara.
Objekti u takvim parovima se kreću sa velikim ubrzanjem što dovodi do primetne emisije gravitacionih talasa. Time svaki objekat u takvom paru gubi energiju i prilazi sve bliže onom drugom, što smanjuje njihov orbitalni period.
To je efekat koji su primetili radio astronomi Hulse i Tajlor pre više od tri decenije.

 

Izvor

 

Modulacija radio zračenja pulsara koga su pratili ukazivala je da se radi o dve neutronske zvezde u uzajamnoj orbiti koja postaje tešnja, što znači da time energija dvojnog sistema postaje sve niža. Taj izmereni gubitak energije se sa velikom tačnošću poklapa sa formulom za gubitak energije preko emitovanja gravitacionih talasa koje predviđa Teorija relativnosti.
Samo gravitaciono zračenje tog sistema je međutim isuviše slabo da bi moglo direktno da se registruje od strane instrumenata na Zemlji. U ovom slučaju dakle ne “vidimo” gravitacione talase već samo njihov izvor.
Sa vremenom, zbog gubitka energije kroz gravitacione talase objekti u paru postaju sve bliži i međusobna ubrzanja veća što dovodi do sve veće emisije gravitacionih talasa, i na kraju do sudara i spajanja objekata u paru.
Ishod spajanja dve neutronske zvezde je uvek crna rupe, jer njihova ukupna masa je veća od maksimalne moguće mase za neutronsku zvezdu. To je takođe ishod spajanja crne rupe i neutronske zvezde, kao i spajanja dve crne rupe.
Protekle su decenije pre nego što su numerički relativisti uspeli da simulariju i potvrde taj proces na kompjuteru. Tehnički izazovi su izgledali nepremostivi, počevši od potrebne brzine i kapaciteta kompjutera do neophodnosti da se razviju nove numeričke metode koje mogu da prate evoluciju sistema od početne razdaljine koja se meri milionima kilometara do samog spajanja, uz uticaj plimskih sila koje kompaktni objekti imaju jedni na druge i neizbežne gravitacione dilatacije vremena, sve veće što su objekti bliži. I naravno, uz emisju gravitacionih talasa i efekta koji taj gubitak energije ima na par.
Ovde je simulacija istraživačke grupe SXS (Simulacije Ekstremnih Prostor-vremena), koja pokazuje spajanje dve crne rupe, gledano sa pozicije svemirskog broda koji je na osi revolucije sistema:




Gravitacioni talasi nisu vidljivi golim okom, ali se vidi efekat gravitacionih sočiva koje crne rupe imaju na likove i pozicije zvezda u pozadini.
Evolucija ovakvog para se završava formiranjem masivne crne rupe čija masa je jednaka sumi masa komponenti minus masa koja je izgubljena kroz gravitacione talase. U simulaciji se vidi konačna relaksacija na simetričnu crnu rupu, takozvani “ringdown.”
Kada je 14. septembra 2015. godine LIGO zabeležio jasan signal, teoretičari su posle 25 godina simulacija bili spremni. Posle temeljne analize i provere 11. februara ove godine LIGO je objavio da je zabeležio signal upravo jednog ovakvog spajanja dve crne rupe u jednu.
U ovom slučaju detektovano je gravitaciono zračenje ali ne vidimo njegov izvor. Ne postoji detekcija elektromagnetnog zračenja sa ovog objekta, čak je injegova tačna lokacija na nebu neprecizna. Ali je gravitacioni signal karakterističan, i kako izgleda sasvim siguran.
Time je naša tehnologija došla u dodir sa novom realnošću koju do sada nismo bili u stanju da registrujemo, gravitacionim talasima koji nas zasipaju sa svih strana baš kao i zvezdana svetlost.

Milan Mijić
izvor 1, izvor 2


15 juni 2016

Četiri meseca nakon istorijske potvrde gravitacionih talasa, potvrđena je i druga detekcija ovog fenomena. Predstavnici LIGO  projekta 15. juna su saopštili da su gravitacioni talasi ovog puta snimljeni 26. decembra u tri sata i 38 minuta po Griniču, i to u vreme kada su detektori bili još uvek u svojoj prvoj fazi posmatranja.
Signal su zabeležili i detektor u Hanfordu (Vašington) i detektor u Livingstonu (Luizijana) i to gotovo istovremeno. I ovog puta, signal je nastao spajanjem dve crne rupe u jednu koje se igrom slučaja nalaze na sličnom rastojanju od Zemlje kao one čije je spajanje zabeleženo prvi put, na udaljenosti od 1,4 milijardi godina.
Novo otkriće gravitacionih talasa se razlikujuje od prvog u mnogim detaljima, pa su tako, između ostalog, crne rupe ovog puta bile znatno manjih masa. Njihove mase su od mase Sunca veće 14 i 8 puta, dok su mase crnih rupa, koje su u februaru ove godine bile glavna tema, od mase Sunca veće čak 29 i 36 puta. Ova razlika je uticala na jačinu signala, ali iako je signal ovog puta bio slabiji, njegova frekvencija je bila viša što je omogućilo bolje opažanje orbita. Signal je zabeležen u poslednjim trenucima spajanja crnih rupa nakon čega je nastala nova crna rupa čija je masa 21 put veća od Sunčeve.
Kada su prvi put detektovani gravitacioni talasi, signal je bio veoma jasan i očigledno se razlikovao od pozadinske buke u LIGO instrumentima. Ovog puta, nije bilo na prvi pogled jasno da se u podacima krije ovaj signal, ali ga je softver ipak prepoznao. Ovaj signal traje jednu sekundu što je pet puta duže od trajanja istorijskog signala iz februara ove godine.
Dve potvrđene detekcije gravitacionih talasa stvaraju neke od početnih uslova za dalje istraživanje crnih rupa i učestalosti njihovih spajanja ne samo na teorijskoj osnovi već i opažanjem. Takođe mogu da se naprave, iako još uvek neprecizna, predviđanja koliko često ćemo moći da slušamo ove signale iz prošlosti svemira. Posmatranja se nastavljaju na jesen kada će biti poboljšana osetljivost LIGO detektora što bi trebalo da omogući opažanje većeg broja crnih rupa koje se spajaju, ali i detekciju gravitacionih talasa koji potiču iz drugačijih izvora. U bliskoj budućnosti LIGO detektoru bi trebalo da se pridruži i evropski interferometar Virgo koji će pre svega pomoći u lociranju izvora gravitacionih talasa i razumevanju njihove prirode.
izvor