Pre više od 100 godina Ajnštajn nam je podario opštu teoriju relativnosti. Stara Njutnov koncept gravitacije, gde su se dve mase privlače, i to trenutno, silom proporcionalnom njihovoj masi i obrnuto proporcionalnom kvadratu njihove udaljenosti, nije odgovarala osmatranjima Merkurove orbite a ni sa teorijskim zahtevima specijalne relativnost: da ništa ne može da se kreće brže od svetlosti, čak ni sama sila gravitacije.

Opšta teorija relativnosti zamenila je Njutnovu gravitaciju tako što je prostor-vreme tretira kao četvorodimenzionalnu tkanje, gde sva materija i energija putuje kroz tu tkaninu konačnom brzinom svetlosti. Ta tkanina nije jednostavno ravna, poput kartezijanske mreže, već je zakrivljena prisustvom i kretanjem materije i energije: materija i energija govore prostor-vremenu kako da se zakrivi, a tako zakrivljen prostor-vreme govori materiji i energiji kako da se kreću. I kad se neki objekat koji sadrži energiju kreće kroz zakrivljeni prostor, neizbežna posledica je da emituje energiju u obliku gravitacionog zračenja, odnosno gravitacionih talasa. Ti talasi su svuda u Svemiru, a sada kada smo počeli da ih otkrivamo, otvoriče se budućnost astronomije.

1
Numeričke simulacije gravitacionih talasa koje emituje spiralno spajanje dve crne rupe. Obojene konture oko svake crne rupe predstavljaju amplitudu gravitacionog zračenja; plave linije predstavljaju orbite crnih rupa, a zelene strelice predstavljaju njihovo obrtanje. Fizika spajanja binarnih crnih rupa je nezavisna od apsolutne mase, ali u velikoj meri zavisi od relativnih masa i spinova crnih rupa koje se spajaju (Izvor: C. Henze/NASA Ames Research Center).

Gravitacioni talasi se stvaraju uvek kad objekat koji sadrži energiju prođe kroz oblast u kojoj se menja zakrivljenost prostora-vremena. Ovo se odnosi na:

- mase koje kruže oko drugih masa,
- brze promene u rotaciji mase ili ako se masa urušava u sebe,
- spajanje dva masivna objekta,
- pa čak i kvantne fluktuacije koje su nastale tokom inflatorne epohe koja je prethodila i čini Veliki prasak.

U svim ovim slučajevima, distribucija energije unutar određenog prostora se brzo menja, a to rezultira stvaranjem talasnog zračenja svojstvenog samom prostoru: gravitacionim talasima.

Ovi talasi u tkanju prostor-vremena putuju upravo brzinom svetlosti u vakuumu, i uzrokuju da se prostor naizmenično sažima i širi, u međusobno okomitim pravcima, dok vrhovi i dna gravitacionih talasa prolaze preko njih. Ovo inherentno kvadripolarno zračenje utiče na svojstva prostora kroz koji prolazi, kao i na sve objekte i entitete unutar tog prostora.

talasi
Gravitacioni talasi se šire u jednom pravcu, naizmenično šireći i sabijajući prostor u međusobno okomitim pravcima. Sami gravitacioni talasi, u kvantnoj teoriji gravitacije, treba da budu sačinjeni od pojedinačnih kvanta gravitacionog polja: gravitona. Iako se mogu ravnomerno rasporediti po prostoru, amplituda je ključna veličina za detektore, a ne energija. (Izvor: Markus Pössel/Einstein Online)

Ako želite da otkrijete gravitacioni talas, potreban vam je neki način da budete osetljivi i na amplitudu i na frekvenciju talasa koji tražite, a takođe morate da imate neki način da otkrijete kako utiče na oblast prostora u kojom obavljate merenje. 

Prvo otkrivanje gravitacionih talasa desilo se 14. septembra 2015. i predstavljalo je spiralno spajanje dve crne rupe od 36 i 29 solarnih masa. Kada su se spojile, formirale su konačnu crnu rupu od samo 62 solarne mase, pri čemu su nedostajuće tri solarne mase pretvorene u čistu energiju, putem E = mc², i to u obliku gravitacionih talasa.

talasi2
Kada su dva kraka potpuno jednake dužine i kroz njih ne prolazi gravitacioni talas, signal je ravan, a obrazac interferencije je konstantan. Kako se dužina kraka menja, signal je stvaran i oscilatoran, a obrazac interferencije se menja tokom vremena na predvidljiv način. (Izvor: NASA’s The Space Place)

Dok su ti talasi prolazili kroz planetu Zemlju, oni su naizmenično sažimali i širili našu planetu za manje od širine vlati trave: sićušan iznos. Međutim, imali smo dva detektora gravitacionih talasa — detektore LIGO Hanford i LIGO Livingston — od kojih se svaki sastojao od dva okomita laserska kraka, dugačka 4 km, koji su reflektovali lasere napred-nazad više od hiljadu puta pre nego što su se laserski zraci spojili i iskombinovali.

Posmatrajući periodične pomake u obrascima interferencije koje stvaraju kombinovani laseri zraci, a koji su sami uzrokovani prolaskom gravitacionih talasa kroz prostor kojim je laserska svetlost putovala, naučnici su uspeli da rekonstruišu amplitudu i frekvenciju gravitacionog talasa. Po prvi put smo snimili ove sada već čuvene talase u prostor-vremenu.

Od tog vremena, LIGO detektorima su se pridružila još dva zemaljska laserska interferometarska detektora gravitacionih talasa: Virgo detektor u Evropi i KAGRA detektor u Japanu. Do kraja 2022. sva četiri detektora će zajednički raditi da bismo dobili polje detektora gravitacionih talasa kakvo nismo imali nikada, sa mogućnošću detetkicje gravitacionih talasa niže amplitude i sa više lokacija na nebu. Kasnije ove decenije, pridružiće im se i peti detektor, LIGO India, koji će još više povećati zajedničku osetljivost.

Potrebno je razumeti da svaki gravitacioni talas koji prolazi kroz Zemlju dolazi sa specifičnom orijentacijom, i samo orijentacije koje uzrokuju značajne pomake u oba okomita laserska kraka pojedinačnog detektora mogu dovesti do detekcije. Detektori LIGO Hanford i LIGO Livingston su posebno orijentisani za redundantnost: gde su uglovi pod kojima su detektori, u odnosu jedan prema drugom, precizno kompenzovani zakrivljenošću Zemlje. Ovaj izbor osigurava da će se gravitacioni talas koji se pojavljuje u jednom detektoru pojaviti i u drugom, ali cena je da ako je jedan detektor nije detektovao gravitacioni talas, neće ga detktovati na drugi. Da bi se dobila bolja pokrivenost, potrebno je više detektora sa različitim orijentacijama — uključujući detektore osetljive na orijentacije koje će LIGO Hanford i LIGO Livingston ignorisati.

4
Ažuran prikaz svih crnih rupa i neutronskih zvezda posmatranih i elektromagnetno i kroz gravitacione talase, do novembra 2021. godine. Ovde su uključeni objekti u rasponu od nešto više od 1 solarne mase, najlakše neutronske zvezde, do objekata od nešto više od 100 solarnih masa, crne rupe nakon spajanja. Astronomija gravitacionih talasa trenutno može da detektuje samo veoma uzak skup objekata. (Izvor: LIGO-Virgo-KAGRA / Aaron Geller / Northwestern)

Ali čak i sa pet detektora, sa četiri nezavisne orijentacije, naše mogućnosti gravitacionog talasa će i dalje biti ograničene na dva važna načina: u smislu amplitude i frekvencije. Trenutno imamo uhvaćeno oko 100 događaja gravitacionih talasa, ali svi su od relativno male mase, kompaktnih objekata (crne rupe i neutronske zvezde) koji su uhvaćeni u poslednjim fazama spajanja. Pored toga, svi su relativno blizu, spajanje crnih rupa na par milijardi svetlosnih godina i spajanje neutronskih zvezda na daljini do nekoliko miliona svetlosnih godina. Za sada možemo detektovati samo crne rupe koje imaju oko 100 solarnih masa ili manje.

Opet, razlog je jednostavan: jačine gravitacionog polja se povećava što se više približavate masivnom objektu, ali najbliže što možete da priđete crnoj rupi je određeno veličinom njenog horizonta događaja, koji je prvenstveno određen masom crne rupe. Što je crna rupa masivnija, to je veći njen horizont događaja, a to znači da je potrebno više vremena da svaki objekat obiđe orbitu oko crne rupe, dok je i dalje van horizonta događaja. Crne rupe najmanje mase (i sve neutronske zvezde) imaju najkraće orbitalne periode, pa čak i sa hiljadama refleksija, laserska ruka duga samo 3-4 km nije osetljiva na duže vremenske periode.

Zato, ako želimo da otkrijemo gravitacione talase koje emituju bilo koji drugi izvori, uključujući:

- masivnije crne rupe, poput onih supermasivnih koje se nalaze u centru galaksija,
- manje kompaktni objekti, poput belih patuljaka,
- nasumični pozadinski šum gravitacionih talasa, stvoreni kumulativnim zbirom svih talasa koje stvaraju sve binarne supermasivne crne rupe čiji talasi neprestano prolaze pored nas,
- ili ostali pozadinski šum gravitacionih talasa: onih preostalih od kosmičke inflacije koji i danas postoje u celom kosmiku, 13,8 milijardi godina nakon Velikog praska.

Potreban nam je novi, fundamentalno drugačiji skup detektora gravitacionih talasa. Detektori na Zemlji koje danas imamo, uprkos tome koliko su zaista fantastični u svojoj oblasti primene, ograničeni su u amplitudi i frekvenciji sa dva faktora koji se ne mogu lako poboljšati. Prvi je veličina laserskog kraka: ako želimo da poboljšamo našu osetljivost ili frekventni opseg koji možemo da pokrijemo, potrebne su nam duži laserski kraci. Sa kracima od oko 4 km, vidimo crne rupe najveće mase koje možemo; ako želimo veće mase ili iste mase na većim udaljenostima, potreban nam je novi detektor sa dužim laserskim kracima. Možda bismo mogli da napravimo laserske krake možda oko 10 puta duže od trenutnih, ali to je najbolje što ćemo ikada moći da uradimo, jer granicu postavlja sama planeta Zemlja. U suštini, ne možemo da napravimo laserske krake iznad određene dužine ili određene osetljivosti ovde na Zemlji.

Ali postoji još jedan pristup koji bi trebalo da počnemo da primenjujemo 2030-ih: stvaranje laserskog interferometra u svemiru. Umesto da budemo ograničeni ili fundamentalnom seizmičkom bukom koja se ne može izbeći, ili našom sposobnošću da napravimo savršeno ravnu cev s obzirom na zakrivljenost Zemlje, možemo da kreiramo laserske krake duge stotine hiljada ili čak milione kilometara. Ovo je ideja koja stoji iza LISA: svemirske antene laserskog interferometra, koja bi trebalo da bude lansirana 2030-ih.

5
Sa tri podjednako raspoređena detektora u prostoru povezana laserskim kracima, periodične promene u njihovoj razdaljini mogu otkriti prolazak gravitacionih talasa odgovarajućih talasnih dužina. LISA će biti prvi detektor sposoban da detektuje prostorno-vremenske talase iz supermasivnih crnih rupa i objekata koji upadaju u njih. Ako se otkrije da ovi objekti postoje pre formiranja prvih zvezda, to bi bio signal za postojanje primordijalnih crnih rupa. (Izvor: NASA/JPL-Caltech/NASAEA/ESA/CXC/STScl/GSFCSVS/S.Barke (CC BY 4.0))

Sa Lisom, trebalo bi da postignemo osetljivost na nižim frekvencijama (tj. za duže talasne dužine gravitacionih talasa) nego ikada ranije. Trebali bismo da otkrijemo crne rupe u rasponu od hiljada do miliona solarnih masa, kao i spajanje crnih rupa ekstremno različitih masa. Pored toga, trebalo bi da budemo u mogućnosti da vidimo izvore na koje će detektori kao što je LIGO biti osetljivi, i to u mnogo ranijim fazama, dajući nam mesecima ili čak godinama unapred obaveštenja da se pripremimo za događaj spajanja. Sa dovoljno takvih detektora, trebalo bi da budemo u mogućnosti da precizno odredimo gde će se ovi događaji spajanja desiti, što nam omogućava da našu drugu opremu - detektore čestica i elektromagnetski osetljive teleskope - usmerimo na pravu lokaciju u kritičnom trenutku. LISA će, na mnogo načina, biti krajnji trijumf za ono što trenutno nazivamo astronomijom sa više glasnika: gde možemo da posmatramo svetlost, gravitacione talase i/ili čestice koje potiču iz istog astrofizičkog događaja.

Ali za događaje koji generišu još duže talasne dužine:

- crne rupe od milijarde solarne mase koje kruže jedna oko druge,
- zbir svih binarnih supermasivnih crnih rupa u Univerzumu,
- i/ili pozadsko zračenje gravitacionog talasa nastalo kosmičkom inflacijom,

potrebne su nam još duži kraci. Srećom, Univerzum nam pruža način da to uradimo, prirodno, jednostavnim posmatranjem onoga što je tamo: preciznih, tačnih, prirodnih satova, u obliku milisekundnih pulsara. Otkrivneih širom naše galaksije ovi prirodni časovnici emituju precizno vremenske impulse, stotine puta u sekundi, i stabilni su u dugim vremenskim razmacima.

6
Ilustracija pokazuje kako Zemlja, ploveći u prostor-vremenu, vidi signale koji pristižu iz različitih pulsara, odložene i izobličene pozadinskim šumom gravitacionih talasa koji se šire po celom Univerzumu. Kombinovani efekti ovih talasa menjaju vreme svakog pulsara, a dugotrajno, dovoljno osetljivo praćenje ovih pulsara može otkriti te gravitacione signale. (Izvor: Tonia Klein/NANOGrav)

Preciznim merenjem perioda pulsa ovih pulsara i njihovim spajanjem u mrežu koja se neprekidno prati, kombinovanjem vremenskih varijacija pulsara mogu se otkriti signali koje nijedan trenutno predloženi detektor kreiran od strane ljudi ne bi mogao da otkrije. Znamo da postoji mnogo supermasivnih binarnih crnih rupa, a najmasovniji takvi parovi bi se čak mogli detektovati i odrediti pojedinačno. Imamo mnogo posrednih dokaza da bi pozadinski šum inflatornog gravitacionog talasa trebalo da postoji, i čak možemo predvideti kako bi njegov spektar trebalo da izgleda, ali ne znamo njegovu amplitudu. Ako imamo sreće u našem Univerzumu, u smislu da je amplituda takve pozadine iznad praga koji se može detektovati, vremensko otkucavanje pulsara bi mogao biti kamen Rozete koji otključava ovaj kosmički kod.

Iako smo čvrsto ušli u eru astronomije gravitacionih talasa još 2015. godine, ovo je nauka koja je još uvek u povojima: slično kao što je bila optička astronomija u decenijama posle Galileja. Trenutno imamo samo jednu vrstu alata za uspešno otkrivanje gravitacionih talasa, možemo ih detektovati samo u veoma uskom frekventnom opsegu i možemo detektovati samo one najbliže koji proizvode signale najveće magnitude. Međutim, kako nauka i tehnologija gravitacionih talasa bude napredovala
otkrićemo sve više i više Univerzuma kakav nikada ranije nismo videli. U kombinaciji sa detektorima kosmičkih zraka i neutrina, i uz tradicionalnu astronomiju iz celog elektromagnetnog spektra, samo je pitanje vremena kada ćemo osvojiti sve tri medalje: astrofizički događaj u kojem ćemo posmatrati svetlost, gravitacione talase i čestice, jednog istog događaj. To bi moglo biti nešto neočekivano, poput obližnje supernove, ali takođe može doći od spajanja supermasivne crne rupe udaljene milijardama svetlosnih godina. Jedna stvar koja je sigurna je da kako god izgledala budućnost astronomije, ona će definitivno morati da uključi investiciju u novo, plodno polje - astronomiju gravitacionih talasa!

Preuzeto sa: https://bigthink.com/starts-with-a-bang/gravitational-waves-future-astronomy/

 


Komentari  
Nedjo
+1 #2 Nedjo 10-08-2022 21:47
Da, ovdje smo zaista tek zagrebali površinu. Meni jedna od zanimljivijih grana astronomije.

Odličan je ovaj tekst, a i nisam znao za sve ove ideje budućeg razvoja gravitacione detekcije.
r2d2
0 #1 r2d2 04-08-2022 23:06
Nema razloga da gravitacioni talas (talasanje prostorvremena) bude limitiran brzinom svetlosti. To nije kretanje materijalnog tela, ili čestice. Imamo i pojam inflacije gde se upravo to prostorvreme širilo brže od svetlosti.
Dodaj komentar