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.

• Blog je bil napisan za spletno stran Delo.si: http://www.delo.si/znanje/znanost/znanstveni-blog-kaj-so-gravitacijski-valovi.html

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 (t.i. 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.

Doslej smo bili pri opazovanju vesolja skorajda izključno omejeni na spekter elektro-magnetnih valov (EM) (in pa nevtrine ter kozmične delce). In sicer se pri opazovanju vesolja za različne namene izkorišča 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 opazuje na primer najbolj visoko energijske dogodke v vesolju – izbruhe 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 10 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 milijard let. Z radijskimi valovi so bili med drugim odkriti kvazarji, ki sodijo 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 4 % vesolja. Za preostalih 96 % vesolja ne vemo kaj je. Neznani delež vesolja sestavljata temna snov in temna energija, ki predstavljata kar 23 %  oz. 73 % mase vesolja. Za temno snov vemo da obstaja, ker s svojo gravitacijo vpliva na objekte oz. 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 gravitacijski 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 v različnih valovnih dolžinah(Vir: NASA, ..)

Meglica M1-Rakovica v različnih valvonih dolžinah elektromagnetnega spektra (Vir: CM Hubert Chen, Fiona A. Harrison, Principal Investigator, Caltech Charles J. Hailey, Columbia Principal, Columbia, Finn E. Christensen, DSRI Principal, DSRI, William W. Craig, Optics Scientist, LLNL, Stephen M. Schindler, Project Manager, Caltech – High Energy Focusing Telescope (HEFT), NASA’s Scientific Ballooning Program)

Prav tako kot elektro-magnetni valovi, imajo tudi gravitacijski valovi svojo valovno dolžino, vendar je ta običajno zelo zelo velika: od nekaj 1000 do nekaj milijonov kilometrov. Na drugi strani pa je njihova amplituda izjemno majhna in jih je posledično izjemno težko zaznati. Analogno z elektro-magnetnimi 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 100 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 4 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 uporabljajo 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 istočasno 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.

Del LIGO observatorija v Livingstonu v Lusiani (Vir: LIGO Laboratory)

Del LIGO observatorija v Hanfordu v Washingtonu (Vir: LIGO laboratory)

Del zrcala v LIGO (Vir: LIGO)

Težava je v tem 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 km. 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 milijardami 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 nove obdobje astronomije, ko opazovanje vesolja, ne bo omejeno le na spekter elektromagnetih valov, ampak se bodo temu pridružile še meritve gravitacijskih valov.

Simulacija zlitja dveh črnih lukenj in gravitacijskih valov, ki jih oddajata ob približevanju in zlitju:

Zgodba pa upam da 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 brž ko ne v kratkem prineslo tudi Nobelovo nagrado za fiziko.

• Predavanje o gravitacijskih valovih na simpoziju Mednarodne astronomske zveze  v Ljubljani (v organizaciji Univerze v Novi Gorici): http://videolectures.net/single_rowan_gravitational_waves/
  
• Video pogovora s znanstveniki, ki so odkrili gravitacijske valove: https://www.youtube.com/watch?v=xj6vV3T4ok8

Bojan Ambrožič