Znanost na cesti Znanost na cesti cafescientifique

03. oktober, 2017

Izjemna zgodba o gravitacijskih valovih

prof. dr. Andreja Gomboc

Zgodba o neposrednem odkritju gravitacijskih valovih je izjemna iz več vidikov. Znanstveno potrjuje 100 let staro napoved Einsteinove splošne teorije relativnosti, ki je ena temeljnih teorij sodobne fizike. Tehnološka dovršenost naprav, ki omogočajo meritve neznatno majhnih sprememb prostorčasa, je praktično neverjetna. Izjemnega pomena pri tej zgodbi uspeha pa je človeški vidik: optimizem ali gotovost (karkoli že) vodilnih strokovnjakov projekta LIGO, da je mogoče doseči tako nepredstavljivo občutljivost, njihova dolgoletna vztrajnost in uspešnost pri prepričevanju tistih, ki odmerjajo denar za raziskave, ter pri motiviranju številnih znanstvenih kolegov, da so svoje celotne kariere posvetili temu cilju, so brez primere. In pravi užitek je biti priča zagnanosti, s katero so zadnjih nekaj let številne raziskovalne skupine z zelo različnih področij astrofizike združile moči pri odkrivanju izvorov gravitacijskih valov, njihovih mehanizmov in še ne povsem znanih zakonov narave.

100 let po napovedi

V Newtonovi teoriji je gravitacija sila, ki deluje med dvema telesoma, ki imata maso. Einsteinova splošna teorija relativnosti, objavljena leta 1915, opisuje gravitacijo na povsem drugačen način: masa ukrivlja prostorčas. In ukrivljenost prostorčasa je tista, ki narekuje, kako se gibljejo telesa v njem. V Newtonovem opisu se na primer planet v našem Osončju giblje okoli Sonca zaradi gravitacijske sile med Soncem in planetom. V Einsteinovem opisu pa se planet giblje okoli Sonca zato, ker je prostorčas okoli Sonca ukrivljen.

Če se telo, na primer naše Sonce, giblje, se spreminja ukrivljenost prostorčasa, informacija o tem pa se širi s svetlobno hitrostjo. Če se telo giblje pospešeno (tako, da se mu hitrost ali smer hitrosti spreminja), nastanejo v prostorčasu gravitacijski valovi, ki se razširjajo s svetlobno hitrostjo. Gravitacijski valovi so nekakšno nihanje ali valovanje prostorčasa. Prostorčas se izmenično širi in krči oz. točneje v eni smeri se krči (razdalje se zmanjšajo), v pravokotni smeri pa se raztegne (razdalje se povečajo) in nato obratno. A ti raztezki oz. skrčki so zelo zelo zelo zelo zelo majhni.

Zato je kljub posrednemu odkritju v Hulse-Taylorjevem dvojnem sistemu ostajala neposredna detekcija gravitacijskih valov sveti gral sodobne fizike vse do nedavnega. Mnogi znanstveniki so bili skeptični, a nekateri so vse od 1960-tih vztrajno potiskali idejo naprej. Koliko dela številnih znastvenikov in inženirjev ter koliko tehničnih preprek na meji sodobne tehnologije so uspeli premagati, si tisti, ki nismo bili del tega, ne moremo niti predstavljati. Postopoma so izboljševali občutljivost naprav in odpravljali raznovrstne šume, dokler niso dosegli občutljivosti, ki je omejena s Heisenbergovim načelom nedoločenosti. Neposredna detekcija gravitacijskih valov z observatorijem LIGO je zato hkrati triumf splošne teorije relativnosti in temeljnih načel kvantne mehanike (Mohorič in Čadež, Obzornik za matematiko in fiziko, 2017)

Observatorij LIGO je najnatančnejše merilo, kar ga je razvilo človeštvo: s pomočjo interferometrije lahko zazna spremembe razdalj velikosti 10-19 m na razdalji dolžine posameznega kraka, ki znaša 4 km. Za lažjo predstavo: to je, kot bi izmerili razdaljo med Zemljo in Soncem na stotinko velikosti atoma natančno ali razdaljo do najbližje zvezde, Proksime Kentavra, ki znaša štiri svetlobna leta, na manj kot je debelina lasu natančno!

GW 150914 se je zapisal v zgodovino

Pri prvem neposredno detektiranem dogodku je raziskovalcem priskočila na pomoč tudi sreča. Praktično takoj, ko so prižgali LIGO z izboljšano občutljivostjo (Advanced LIGO), so 14. septembra 2015 z obema detektorjema, v Livingstonu in Hanfordu, zaznali signal zlitja dveh črnih lukenj oddaljenih od nas 1,3 milijarde svetlobnih let.

Signal detektiran z LIGO detektorjema v Hanfordu in Livingstonu 14. septembra 2015. Vir

Več o observatoriju LIGO in prvi neposredni detekciji:

Že ta prva neposredna detekcija nam je povedala ogromno. Potrdila je, da gravitacijski valovi obstajajo in da splošna teorija relativnosti dobro opiše gravitacijsko polje v neposredni okolici črnih lukenj. V območju, ki ga ne moremo opazovati na noben drug način, saj naši teleskopi za detekcijo elektromagnetnega valovanja (svetlobe vseh valovnih dolžin) še zdaleč nimajo tako dobre ločljivosti, da bi razkrili lastnosti prostorčasa v bližini horizonta drobcenih črnih lukenj, ki se nahajajo nekje daleč v vesolju. S pomočjo gravitacijskih valov pa lahko "otipamo" gravitacijsko polje v neposredni bližini horizonta.

A ne samo to. Gravitacijski valovi, ki so jih zaznali, so nastali ob zlitju dveh črnih lukenj z masama okoli 30 mas Sonca. S tem enim dogodkom smo tako izvedeli še dvoje: da v vesolju obstajajo pari črnih lukenj - kar smo sicer domnevali, nismo pa imeli dokazov - in da obstajajo črne luknje s takimi masami. Pred tem smo namreč imeli le dokaze o obstoju t.i. majhnih črnih lukenj[1] z masami do okrog 15 mas Sonca. Odkritje njihovih masivnejših sester pa je bilo za mnoge presenečenje in odpira vprašanja glede njihovega nastanka in našega razumevanja razvoja zvezd (majhne črne luknje nastanejo namreč ob smrti masivnih zvezd).

Mase doslej odkritih majhnih črnih lukenj. Desno spodaj so z vijolično označeni primeri črnih lukenj v rentgenskih dvojnih sistemih. Z modro so označene črne luknje odkrite na podlagi signala gravitacijskih valov, ki je nastal ob njihovem zlitju. Vir

Dogodku GW150914 so sledile še tri potrjene detekcije (in en dogodek z nižjo verjetnostjo detekcije, LVT151012), vse posledica zlitja dveh črnih lukenj: GW151226, GW170104 in nedavno objavljeni GW 170814, ki so ga poleg dveh LIGO detektorjev zaznali tudi z detektorjem Virgo v Italiji. Mase črnih lukenj so v vseh primerih višje (vsaj po zlitju) od črnih lukenj, ki jih najdemo z rentgenskimi opazovanji dvojnih sistemov, v katerih je ena članica sistema črna luknja, druga pa zvezda. LIGO in Virgo torej odkrivata masivnejšo vrsto majhnih črnih lukenj, kar je verjetno posledica tega, da take črne luknje proizvedejo močnejše gravitacijske valove in jih je posledično lažje detektirati.

Doslej detektirani izvori gravitacijskih valov so še na en način presenetili znanstvenike: nastali so ob zlitju dveh črnih lukenj, medtem ko je večina strokovnjakov pričakovala, da bodo detekcije zlitja dveh nevtronskih zvezd veliko pogostejše.

Kaj sledi?

Iz oblike in jakosti signala gravitacijskih valov lahko določijo vrsto in maso obeh teles, ki sta se zlili, in oddaljenost dogodka od nas. Iz časovnega zamika detekcije signala v različnih detektorjih lahko določijo tudi približno smer neba, od koder je prišel: v primeru detekcije z dvema detektorjema je določitev precej slaba, z dodanim tretjim detektorjem, kot je Virgo, je lahko določitev že veliko boljša, a kljub temu zajema tako velik del neba, da na njem najdemo veliko število galaksij, ki so možne gostiteljice dogodka. Kako določiti iz katere galaksije je signal prišel, da bi na primer izvedeli, v kakšne vrsti galaksije je nastal?

Tu nastopijo t.i. elektromagnetni dvojniki. Ob zlitju dveh teles se sprosti tako ogromna količina energije, da si ni težko zamisliti, da je vsaj en delček oddan v obliki elektromagnetnega valovanja oz. svetlobe. Izvor le-te na nebu pa lahko s teleskopi in sateliti določimo z veliko boljšo natančnostjo. Če bi torej istočasno z detekcijo gravitacijskih valov na istem delu neba s teleskopi na Zemlji ali s sateliti zaznali tudi nov izvor svetlobe (ki bi se razlikoval od "običajnih" novih izvorov, kot so na primer supernove) in bi ga povezali v isti dogodek, bi lahko določili, v kateri galaksiji se je zgodil. S pomočjo dodatnih metod opazovanja, kot sta spektroskopija in polarimetrija svetlobe, bi lahko o kraju in mehanizmih dogodka izvedeli še veliko več. V najboljšem scenariju pa bi k temu dodali še opazovanja kozmičnih delcev in nevtrinov iz istega dela neba.

In prav to je ideja "multi-messenger" astronomije, ki se ravnokar rojeva in zajema opazovanje vesolja in dogodkov v njem s pomočjo vseh štirih vrst "vesoljskih glasnikov": svetlobe, gravitacijskih valov, kozmičnih delcev in nevtrinov. Številne raziskovalne skupine po svetu uporabijo ob sporočilu o detekciji gravitacijskih valov vse razpoložljive instrumente za "follow-up" oz. naknadna opazovanja. Vznemirjenje, ki ga je v zadnjih dveh letih v celotni mednarodni (astro)fizikalni srenji povzročila detekcija gravitacijskih valov, je res nekaj posebnega!

A do sedaj je bila vse bolj "le vaja". V primeru zlitja dveh črnih lukenj namreč večina znanstvenikov ne pričakuje nastanka elektromagnetnih dvojnikov, saj po vsej verjetnosti pride do njunega zlitja v "očiščenem" prostoru, kjer ni snovi, ki bi "zasvetila" ali oddajala kozmične delce in nevtrine. Povsem drugače je, če bi prišlo do zlitja črne luknje in nevtronske zvezde ali zlitja dveh nevtronskih zvezd. Scenarij takega zlitja je že več desetletij glavni teoretični model za kratke izbruhe sevanja gama[2]. A zaenkrat zanj še nimamo t.i. "smoking gun" - neposrednega dokaza. Dobili bi ga, če bi hkrati na istem delu neba zaznali kratek izbruh sevanja gama in signal gravitacijskih valov, ki bi ustrezal zlitju črne luknje in nevtronske zvezde ali dveh nevtronskih zvezd.


Simulacija zlitja dveh nevtronskih zvezd in nastanka kratkega izbruha sevanja gama. Vir

A kdo ve, sodeč po nedavnih govoricah smo ga morda že dobili! Tako odkritje bi bilo prelomnega pomena za visoko-energijsko astrofiziko in bi dalo še dodaten zagon sodelovanju med skupinami, ki se ukvarjajo z zelo različnimi raziskavami: od razvoja masivnih zvezd do najdrobnejših delcev in temeljnih zakonov narave.



[1] T.i. velike ali supermasivne črne luknje najdemo v središčih galaksij in imajo mase med nekaj sto tisoč in nekaj milijard mas Sonca.

[2] Izbruhi sevanja gama so kratkotrajni bliski gama svetlobe, ki se približno enkrat na dan pojavijo v naključnih smereh neba, presvetlijo vse ostale izvore sevanja gama na nebu, in običajno po nekaj sekundah ali minutah ugasnejo. Obstajata dve vrsti: "kratki" trajajo v gama svetlobi manj kot 2 sekundi in naj bi nastali ob zlitju dveh gostih ostankov zvezd (dveh nevtronskih zvezd ali črnih lukenj), "dolgi" trajajo več kot 2 sekundi in nastanejo, ko neka masivna in hitro vrteča se zvezda porabi vse svoje jedrsko gorivo in se njena sredica sesede ali v črno luknjo ali v magnetar – nevtronsko zvezdo z izjemno močnim magnetnim poljem.

O avtorici

Andreja Gomboc je redna profesorica za astronomijo in raziskovalka v Centru za astrofiziko in kozmologijo na Univerzi v Novi Gorici. Proučuje izbruhe sevanja gama in plimsko raztrganje zvezd v bližini črnih lukenj. Je članica mednarodnih kolaboracij za opazovanja kratkotrajnih pojavov v vesolju, ki jih detektirajo sateliti Swift, Fermi, Integral in Gaia ter observatorija LIGO in Virgo. Urednica spletnega Portala v vesolje in predsednica slovenskega tekmovanja v znanju astronomije. Med svoje največje astronomske dosežke šteje razstavo Od Zemlje do vesolja v Tivoliju in prvi simpozij Mednarodne astronomske zveze v Sloveniji. Najraje bere knjige v senci ob morju.

andreja.gomboc@ung.si

foto: Aleksandra Saša Prelesnik



© Znanost na cesti