LIGO je odprl naše oči

Leta 1916 je Albert Einstein napovedal obstoj gravitacijskih valov. Sam nikoli ni verjel, da bi bili valovi lahko neposredno detektirani, saj bi merjenje njihovega šibkega signala zahtevalo nepredstavljivo natančnost. A vizionarskim idejam in predanosti več generacij znanstvenikov je stoletje kasneje uspelo prav to: detektirani so bili prvi gravitacijski valovi.

SLIKA 1: Detektorja observatorija LIGO sta 14. septembra 2015 detektirala gravitacijske valove. Signal se ujema s tistim, ki ga splošna teorija relativnosti napoveduje za zlitje dveh črnih lukenj v eno samo, masivnejšo črno luknjo. Opazovanja potrjujejo obstoj dvojnih sistemov črnih lukenj. To je prva neposredna detekcija gravitacijskih valov in prvo opazovanje zlitja črnih lukenj. (grafika via Physics)

e17_2_medium

Tako nekako so znanstveniki javnost in stanovske kolege obvestili o tem neverjetnem odkritju. Sliši se kot dobra znanstvena fantastika. Poskušajmo v nadaljevanju razumeti, kaj pravzaprav so znanstveniki odkrili in zakaj je odkritje tako pomembno.

OH, TA GRAVITACIJA

Teorija splošne relativnosti napoveduje nekaj zanimivih in našemu umu težko doumljivih lastnosti prostora-čas (op. spacetime). Svetlobi se pri potovanju v bližini masivnega telesa spremeni smer potovanja: najveličastneje se ta lastnost pokaže pri gravitacijskem lečenju. Čas opazovalcem, ki se nahajajo na različnih razdaljah od masivnega telesa, teče različno hitro. Teorija pa napove tudi obstoj gravitacijskih valov, valov v tkanini prostora-časa.

Gravitacijske valove naj bi oddajalo vsako telo z maso, ki se giblje pospešeno. Ne moremo jih videti, vsaj ne v klasičnem pomenu besede. Lahko pa izmerimo njihov vpliv na prostor, skozi katerega potujejo: med potovanjem namreč povzročijo krčenje in raztezanje razdalj v prostoru.

Bolj ko je pospešeno telo gosto in masivno, močnejši bodo nastali gravitacijski valovi in močnejši bo vpliv na prostor. A tudi pri najmočnejših virih valov je sprememba v razdalji majhna [1]. Merjenje zato zahteva premetene tehnike in izredno natančnost.

SLIKA 2: Observatorija v Livingstonu in Hanfordu (ZDA), ki sestavljata LIGO. Med seboj sta oddaljena za 3000 km. (vir)

ligo1

LIGO (ang. Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) predstavlja najbolj ambiciozen observatorij za gravitacijske valove. Sestavljen je iz dveh observatorijev, postavljenih v Livingstonu (Louisiana, ZDA) in Hanfordu (Washington, ZDA). Vsak izmed njiju sestoji iz dveh med seboj pravokotnih cevi dolžine štirih kilometrov. Na koncu vsake cevi je postavljeno zrcalo.

Močen laser je usmerjen v stičišče cevi, kjer je postavljeno še eno zrcalo, ki svetlobo iz laserja razcepi na dva dela. Vsak del svetlobe potuje po svoji cevi, se odbije od zrcala na koncu cevi in se vrne do stičišča, kjer je detektor. Izkaže se, da je signal na detektorju odvisen od razdalje v ceveh [2]. Če se razdalja spremeni, se spremeni tudi signal. Ob prihodu gravitacijskega vala se torej razdalja v ceveh spremeni, to pa lahko opazimo na detektorju. Za lažje razumevanje si oglejte kratek film s pojasnilom v angleščini.

Spremembe razdalj, kakršne LIGO meri pri gravitacijskih valovih, so 10.000x  manjše od velikosti jedra vodikovega atoma. Ni potrebno posebej izpostaviti, da takšna natančnost zahteva, milo rečeno, ogromno truda in tehnične iznajdljivosti.

LIGO JE ODPRL NAŠE OČI

LIGO je 14. septembra 2015 detektiral gravitacijske valove dogodka, poimenovanega GW150914 [3]. Ker gre za valovanje, dejansko opazujemo periodično krčenje in raztezanje prostora. Takole je prostor v našem kotu Vesolja pretresel GW150914:

SLIKA 3: Periodično krčenje in raztezanje prostora kot funkcija časa, kot ga je opazil instrument v Hanfordu. Zgornja slika prikazuje dejanski signal, nato sledi najboljši teoretični model. Prikazana je tudi razlika med opazovanji in modelom, ki se ne razlikuje od šuma merjenja. Spodaj: frekvenca valov v odvisnosti od časa, kjer svetlejša barva prikazuje večjo amplitudo signala. (vir)

ligo3

Vesolje je bilo raziskovalcem izjemno naklonjeno, saj je signal izredno močan – dogodkov s tako močnim signalom v prihodnosti ne pričakujemo veliko. Kvaliteta omogoča natančno teoretično modeliranje. Izkazalo se je, da smo opazili zlitje dveh črnih lukenj.

Že dalj časa vemo, da je vsaj polovica zvezd na nebu pravzaprav dvojnih zvezd, kjer dve zvezdi plešeta ena okoli druge. Majhen delež takšnih dvojnic je sestavljen iz izredno gostih in masivnih zvezd, kot so nevtronske zvezde ali črne luknje.

Pri kroženju takšna masivna in gosta telesa sevajo gravitacijske valove [4], zato se orbita posamezne zvezde počasi manjša – zvezdi po spirali potujeta ena proti drugi. Bližje, ko sta si zvezdi, hitreje se gibljeta, močnejše gravitacijske valove sevata itd. Na koncu se zvezdi v kataklizmičnem trčenju zlijeta v novo, masivnejšo zvezdo. Naslednja slika prikazuje, kako so se pred, med in po zlitju spreminjali frekvenca in amplituda valov.

SLIKA 4: Skica dogodka zlitja črnih lukenj. Ko črni luknji po spirali potujeta ena proti drugi, se amplituda in frekvenca valovanja povečujeta, dokler ne dosežeta največjih vrednosti med zlitjem. Po zlitju nastane nova črna luknja in sistem se umiri – gravitacijskih valov ni več. Velja opozoriti na časovno skalo: vse skupaj traja pičlo desetinko sekunde. (vir)

ligo2

Vse skupaj traja nekaj več kot desetinko sekunde. Pri zlitju opazujemo močno relativističen sistem, saj povprečne hitrosti črnih lukenj pred zlitjem dosežejo polovico svetlobne hitrosti. Izredna kvaliteta podatkov je omogočila, da so znanstveniki izmerili masi črnih lukenj pred zlitjem (36 in 29 mas Sonca) ter maso končne črne luknje (62-kratna masa Sonca). Pozorno oko bo opazilo, da je vsota mas posameznih črnih lukenj za 3 Sončeve mase višja od mase končne črne luknje. Razlika, ki ustreza ogromni energiji, se je izsevala v obliki gravitacijskih valov.

To je prvič, da smo lahko opazovali enega izmed najbolj katastrofalnih dogodkov v Vesolju. LIGO je odprl naše oči.

KAKO NAPREJ?

S prvo detekcijo gravitacijskih valov se lahko veselimo opazovanja Vesolja v novi luči. Iz preteklih izkušenj vemo, da nam je vsaka nova tehnika opazovanja prinesla presenetljiva nova odkritja. A tokrat smo šli še korak dlje. Praktično celotna moderna zgodovina znanosti temelji na opazovanjih in najrazličnejša meritvah, ki so se (in se še vedno) opirala na elektromagnetno valovanje (svetlobo).

Gravitacijski valovi so nam dobesedno prinesli novo dimenzijo opazovanj.

V prihodnosti lahko pričakujemo še več detekcij. Pravzaprav je zelo verjetno, da je LIGO v preteklih mesecih detektiral še en vir gravitacijskih valov, a žal je signal prešibek za dokončno potrditev. V prihodnosti tudi želimo izboljšati ločljivost instrumenta. Trenutno z dvema observatorijema ne moremo natančno povedati, kje na nebu se nahaja vir gravitacijskih valov. A že to leto se bo trenutnima dvema detektorjema pridružil še observatorij Virgo (Pisa, Italija).

Trije observatoriji, ki bodo sočasno opazovali nebo, bodo uspeli veliko bolje določiti položaj vira na nebu. To bo omogočilo, da bomo v to smer neba usmerili tudi druge teleskope in poiskali vir v elektromagnetni svetlobi. S tem bomo pridobili nove informacije in posledično izredno izboljšali razumevanje Vesolja in najrazličnejšega dogajanja v njem.

Jaz sem navdušen – ste tudi vi?

 

Dr. Jure Japelj
Dr. Jure Japelj

Avtor: Dr. Jure Japelj, astrofizik. Trenutno je raziskovalec na Observatoriju v Trstu (INAF-OATS), kjer proučuje temne galaksije mladega Vesolja, še posebej galaksije gostiteljice izbruhov sevanja gama.

 

[1] Amplituda gravitacijskega vala pada z razdaljo. Tudi, če je val ob nastanku močan, pri tipičnih razdaljah v lokalnem Vesolju do nas pride močno oslabljen.

[2] Metoda merjenja temelji na klasičnem konceptu Michelsonovega interferometra, ki meri interferenco svetlobe, odbite od dveh zrcal na koncu cevi.

[3] Ime je sestavljeno iz angleške okrajšave za gravitacijski val (gravitational wave – GW) in datuma detekcije.

[4] Seveda gravitacijski valovi nastajajo tudi pri kroženju Zemlje okoli Sonca. A to naj vas ne skrbi. Počasno gibanje, majhna masa in gostota Zemlje ustvarjata izredno šibke gravitacijske valove in tako je izguba energije zaradi tega pojava praktično zanemarljiva.

 

Opomba: Zapis je bil izvorno objavljen na spletni strani Portal v vesolje.

Več od Metina lista

Ali je pilot v letalu?

ZLOMLJENO SRCE IMAM Čutim zlomljeno srce. Danes sem ga imel dvakrat. Zvečer, ko...
Beri dalje