Službeno je potvrđeno - naučnici su pomoću "uređaja" galaktičkih razmjera otkrili "najtraženiji zvuk u svemiru" - pozadinsku gravitacijsku tutnjavu koja se širi svemirom i potresa galaksije, zvijezde i signale koji njime putuju.
Otkriće brojnih naučnika iz brojnih timova
Naučni timovi iz SAD-a, Evrope, Australije i Indije objavili su rezultate svojih višegodišnjih istraživanja na tu temu u nekoliko naučnih radova. U istraživanju je učestvovalo 100-tinjak znanstvenika iz 12 zemalja.
"Posljednjih 15 godina radimo na misiji potrage za niskofrekventnim šumom gravitacijskih valova koji odzvanja svemirom i prolazi kroz našu galaksiju, izobličujući prostor-vrijeme na mjerljiv način", rekao je na pres konferenciji predsjednik američkog NANOGrav tima, astrofizičar Stephen Taylor sa sveučilišta Vanderbilt.
"Jako smo sretni što možemo objaviti da su naš trud i rad urodili plodom i da imamo uzbudljive dokaze o ovom pozadinskom šumu gravitacijskih valova", dodao je Taylor.
Budući da smo o najavi ovog otkrića podrobno pisali juče, u ovom tekstu se nećemo baviti sustavnim tumačenjem ključnih pojmova važnih za njegovo razumijevanje, već više detaljima otkrića. Ako vas zanimaju tumačenja što su gravitacijski valovi, kako su otkriveni, što je inflacija, što je kozmičko mikrovalno pozadinsko zračenje i sl., možete ih pronaći ovdje.
Šta su gravitacijski valovi?
Gravitacijski valovi su poremećaji u gravitacijskom polju koji naizmjenično sabijaju i rastežu prostor-vrijeme kroz koji prolaze i sve u njemu, a šire se slično kao što se valovi vode ili zvuka šire vodom, odnosno vazduhom. Formiraju se prilikom ubrzavanja masa, osobito golemih, primjerice u eksplozijama supernova, tokom kruženja zvijezda jednih oko drugih na malim udaljenostima u dvojnim zvjezdanim sistemima, u sudarima crnih rupa i sl. Oni su takođe mogli nastati u velikom prasku i u kozmičkoj inflaciji, brzom širenju svemira koje je uslijedilo neposredno nakon velikog praska.
Gravitacijske valove možemo predočiti ako umjesto eksplozije supernove ili sudara crnih rupa zamislimo valove koji se šire kada bacimo kamen u vodu ili kada pljesnemo rukama. Pritom treba imati na umu da se gravitacijski valovi šire brzinom svjetlosti.
Vijek od predviđanja do potvrde
Postojanje gravitacijskih valova prvi je predvidio Albert Einstein 1916. godine na temelju svoje opšte teorije relativnosti.
No, trebao je cijeli vijek razvoja tehnologije da konačno 2015. budu potvrđeni u velikim uređajima LIGO i Virgo koji su dovoljno osjetljivi da mogu detektirati njihove slabašne efekte. Za ovo je otkriće 2017. dodijeljena Nobelova nagrada, a ono je omogućilo sasvim novu vrstu istraživanja svemira - astronomiju gravitacijskih valova. Do danas je registrovano 100-tinjak događaja koji su odaslali gravitacijske valove.
Prozor u najraniji svemir
Astronomija gravitacijskih valova može nam dati uvide u zbivanja koja ne možemo zabilježiti u obliku elektromagnetskih valova. Među ostalim, ona bi nam mogla otkriti što se zbivalo neposredno nakon velikog praska. Trenutno to ne možemo znati jer je svemir nekih 380.000 godina nakon velikog praska bio previše ioniziran i pregust da bi se elektromagnetski valovi mogli širiti njime. No, neprozirnost svemira za elektromagnetske valove nije problem za gravitacijske.
Galaksija kao detektor
U novim istraživanjima navedeni su timovi nezavisno otkrili tragove tzv. pozadinskog šuma gravitacijskih valova. Odakle dolaze ti valovi? Iako nova istraživanja nisu dala definitivan odgovor na ovo pitanje, glavna pretpostavka je da su ih emitovali binarni sistemi supermasivnih crnih rupa.
Naučnici već duže vrijeme pretpostavljaju da oni postoje u nekim galaksijama. Oni su mogli nastati na više načina, ali prije svega stapanjem dvije galaksije koje su u svojim središtima imale supermasivne crne rupe. Kada se supermasivne crne rupe nađu u binarnom sistemu, one se međusobno okreću jedna oko druge i odašilju gravitacijske valove.
Emitujući gravitacijske valove sistemi gube energiju te se crne rupe sve više približavaju i na kraju spajaju u jednu još veću crnu rupu. Ovo spajanje može proizvesti jake gravitacijske valove koji se mogu posmatrati postojećim detektorima na Zemlji.
Valovi posebno dugih valnih dubinama
Kako smo već naveli, srazovi crnih rupa zabilježeni su mnogo puta u uređajima LIGO i Virgo. Ti uređaji, čiji su krakovi dugi četiri kilometra, bili su dovoljno osjetljivi za otkrivanje efekta gravitacijskih valova čija se valna dužina mjeri u hiljadama kilometara. No, nisu dovoljno osjetljivi za otkrivanje druge vrste gravitacijskih valova mnogo većih valnih dužina koje stvaraju supermasivne crne rupe kruženjem jedna oko druge, a koje se mjere u svjetlosnim godinama.
Da bi registrovao takve valne duljine, detektor bi morao imati krakove koji se protežu gotovo polovinom galaksije.
Stoga su naučnici odlučili samu galaksiju pretvoriti u vrstu detektora. To su učinili tako što su iskoristili skupine pulsara koji postoje u njoj.
Što su pulsari?
Pulsari su ostaci nekadašnjih masivnih zvijezda koje su umrle u spektakularnim supernovama, ostavljajući za sobom samo guste jezgre sastavljene od neutrona. Svaki pulsar je malen, otprilike veličine grada, ali rotira se stotinama puta u sekundi.
Svojim jakim magnetskim poljima i brzom rotacijom oni stvaraju snažne elektromagnetske snopove. Magnetna polja pulsara koncentrisana su u polovima zvijezde, a ta mjesta se nazivaju magnetnim jamama. Rotacija pulsara uzrokuje da magnetna jama mijenja svoj položaj u odnosu na Zemlju, što rezultira kretanjem snopa svjetlosti prema i od Zemlje. Ovi pulsevi zbivaju se u toliko preciznim, kratkim intervalima da mogu poslužiti za različita mjerenja.
Tu sad u igru ulaze gravitacijski valovi. Naime, rastezanje i stiskanje prostor-vremena kroz koje prolaze pulsevi pulsara teoretski bi trebalo stvarati male nepravilnosti u vremenskim intervalima u kojima oni dolaze do nas na Zemlji. Ako gravitacijski val malo skrati ili produži prostor-vrijeme kroz koji prolazi signal pulsara, na Zemlji će se moći zabilježiti mali poremećaj u njegovu dolasku.
"Hakiranje" galaksije
Ali poremećaj zabilježen u signalu jednog pulsara nije dovoljan da bi se nedvojbeno moglo utvrditi da je on posljedica uticaja gravitacijskih valova. Za to je potrebno da isti efekt pokazuje veća skupina pulsara.
Naučnici su već pronašli neke naznake zapisa gravitacijskog pozadinskog šuma u bljeskovima skupova pulsara, no do nedavno nije bilo dovoljno podataka da bi se moglo reći je li u pitanju slučaj, odnosno greška.
"Morali smo 'hakovati' galaksiju", rekao je Jeff Hazboun, član NANOGrav tima koji ima gotovo 100 članova iz SAD-a, Kanade i dvanaest drugih zemalja, pa dodao: "To je jedna od najuzbudljivijih stvari kod ovog projekta za mene."
U najnovijoj analizi, koja je objavljena u cijeloj seriji radova u časopisu The Astrophysical Journal Letters, naučnici su proučavali podatke sa 70-ak pulsara.
"Ako puls malo kasni ili malo žuri, to se može pripisati prolasku gravitacijskog vala", rekao je Hazboun, objašnjavajući da gravitacijski val rasteže ili kompromituje prostor-vrijeme, mijenjajući udaljenost koju puls mora prevaliti da bi stigao do Zemlje.
Svemir podrhtava poput golemog želea
Uzorak odstupanja od očekivanih vremena dolaska snopova pulsara sugeriše da gravitacijski valovi podrhtavaju prostor-vremenom kao ogromnom količinom želea. "Jako je teško utvrditi dolaze li valovi iz jednog određenog smjera", kaže Hazboun.
Umjesto da vide jedan val kako dolazi, kako bi ga vidjela osoba koja stoji na plaži i gleda u more, Hazboun tumači da signali više podsjećaju na iskustvo plivanja u nemirnom oceanu.
Istraživači još ne znaju što stvara te valove, no rezultati se podudaraju s predviđanjima o efekta kruženja supermasivnih crnih rupa.
No izvor zabilježenih signala mogao bi biti nešto još neobičnije - mogućnosti se kreću od kozmičkih niti koje su mogle nastati na kraju velikog praska, preko tamne tvari, do prapovijesnih crnih rupa koje su se formirale uskoro nakon Velikog praska ili kozmičke inflacije.
Otkriće je vrlo pouzdano, ali još nije 100%
Objavljeni rezultati još se ne mogu smatrati konačnim otkrićem pozadinskog gravitacijskog šuma, međutim, postoji šansa veća od 99% da je riječ o stvarnom fenomenu. NANOGravov signal ima nivo pouzdanosti od 4 sigme (ili 99,349%), a temelji se na 67 pulsara.
Signal uređaja PPTA ima niži nivo pouzdanosti jer je u njemu proučavano manje pulsara. Njegova detekcija temelji se na samo 30 zvijezda, no signali su prikupljani tokom dužeg razdoblja. Zlatni standard za otkriće koje se može smatrati potvrđenim je 5 sigma. To znači da će naučnici morati obaviti još dosta posla. No već sada imaju puno materijala prikupljenih tokom više godina pa to i ne bi trebalo biti previše teško. Trebaće vremena, rada i strpljenja, piše Index.hr.