KOSMIčKI SATOVI

Pripremio: Mirko Jakovljević

Završni test relativnosti
Napred ili korak ka naučnoj nuli

Iz noći u noć, ritmični radio-signali dopiru do Zemlje. Najsporiji od njih zvuče kao kada se čekićem zakucava ekser, dok drugi zvuče kao rad motora automobila koji stoji na semaforu. Neki proizvode skoro neprekinute tonove, koji su zreli da budu ukombinovani u ukupnu kosmičku muziku. Oni uvek nose iste zvukove, uvek sa iste tačke na nebu

Kada su ih prvi put čuli, astronomi su pomislili da je reč o porukama vanzemaljaca. Ipak, ove signale ne šalje E.T. već potiču od pulsara. Precizno merenje načina na koji ovi ekstremni kosmički objekti mere vreme moglo bi razrešiti jednu od najvećih misterija savremene fizike: lokaciju gravitacionih talasa.

Gravitacioni talasi su kamen temeljac Ajnštajnove Opšte teorije relativiteta; oni su maleni talasi u tkanju prostor-vremena. Međutim, pokazalo se da ih je skoro nemoguće detektovati, iako se za tu svrhu prave sve veći i skuplji instrumenti. Sada se čini da bu pulsari mogli da precizno odrede njihov položaj. Džordž Hobs (Parks opservatorija, Novi Južni Vels, Australija) ističe da su već u prilici da određene pretpostavke isključuju. On smatra da bi uskoro mogli doći do određenih rezultata, u zavisnosti od prirode gravitacionih talasa.

Krivac je neutronska zvezda

Pulsari su prvi put „uspostavili kontakt“ sa Zemljom 1967. godine. Na jednom polju u okolini Kembridža, studentkinja Džoslin Bel je sa svojim supervizorom Entonijem Hjuišom isprobavala novu antenu kako bi skenirala nebo u potrazi za izvorima radijskih talasa. Primetili su niz pulseva u razmaku od 1 do 3 sekunde. To se nije uklapalo ni sa jednim do tada poznatim astronomskim fenomenom.

Kada su naredne godine objavili rezultate, otkriven je krivac- neutronska zvezda. Ova tela su preostala nakon eksplozija supernovih i izuzetno su gusta. Sadrže masu veću od našeg Sunca spakovanu u sferu prečnika od samo nekoliko desetina kilometara. Ove zvezde veoma brzo rotiraju i imaju ogromna magnetna polja. Da bi od neutronske zvezde nastao pulsar, neophodno je da njena magnetna osa bude u određenom uglu u odnosu na njenu rotacionu osu. Tako se događa da snažni mlazevi radijacije koji izbijaju iz magnetnih polova zvezde obilaze oko same zvezde dok rotira.

Godine 1982. tim naučnika sa Berklija (SAD) otkrio je „milisekundni“ pulsar koji se okreće neverovatnih 642 puta u sekundi, zahvaljujući materiji i energiji koju dobija od susedne zvezde. Pulsevi milisekundnih pulsara su toliko brzi i pravilni da predstavljaju fantastične kosmičke satove, pri čemu su dostojan rival preciznosti bilo kog atomskog merača vremena kog je napravio čovek. Na osnovu toga, oni se mogu iskoristi da se uoče gravitacioni talasi.

Milisekundni pulsar za više godina merenja

Prema Ajnštajnovoj Opštoj teoriji relativiteta, masa distorzira vreme i prostor oko sebe, stvarajući gravitaciju. Čak ni svetlost, koja nema masu, nije imuna na njeno dejstvo. Potvrđene su i najneobičnije pretpostavke opšteg relativiteta, uključujući postojanje crnih rupa i savijanje svetlosti zvezda pod dejstvom masivnih nebeskih objekata.

Zašto pulsari otkucavaju Razlozi za pravilnost otkucaja pulsara još nisu poznati. Do odgovora su možda došli Džon Singlton i Andrea Šmit (Los Alamos nacionalna laboratorija, Novi Meksiko). Oni pretpostavljaju da je otkucaj nešto slično soničnoj eksploziji koju proizvode supersonične letelice kada probijaju zvučni zid.Prema Teoriji relativiteta, magnetna polja na površini pulsara bi se možda mogla okretati brzinom svetlosti, kaže Singlton. Ukoliko se to dešava, čestice suprotnog napona se potiskuju na suprotne strane pulsara, odakle emituju radijaciju. Šablon radijacije se potom izoštrava zahvaljujući eksploziji uzrokovanoj prekoračenjem svetlosne brzine koje stvara magnetno polje i nakon toga nastaje precizno određen puls koji potom biva emitovan u svemir. Sličan efekat oblikuje zvučne talase koje emituje avion dok probija zvučni zid. I dok ljudi unutar aviona čuju neprekinuti zvuk jurnjave, zvučni talasi do posmatrača na Zemlji dolaze u vidu „eksplozije“. Singlton navodi da bi njegov model mogao zameniti sva istraživanja pulsara vršena tokom prethodnih 40 godina.

Ali, jedna stvar i dalje nije objašnjena. Ukoliko dva masivna tela orbitiraju jedno oko drugog, relativitet kaže da bi njihovo ubrzanje trebalo da izazove distorziju u prostor-vremenu, koja se potom širi kroz kosmos u vidu talasića, odnosno gravitacionih talasa. Do sada smo otkrili samo jedan indirektan dokaz da takvi talasi postoje. On je potekao od pulsara.

Godine 1974. godine, astronomi Rasel Hals i Džozef Tejlor otkrili su jedan pulsar koji je pulsirao prilično blizu susednog dela, kompletirajući svoju orbitu svakih 8 sati. Videli su da se razdaljina između ta dva tela stalno smanjuje dok se spiralno približavaju jedno drugom - što je Ajnštajn predvideo ukoliko bi gubili energiju odavanjem gravitacionih talasa.

Slični događaji su se dešavali tokom kosmičke istorije i predstavljali su važan deo u izgradnji današnjeg svemira. Prema sadašnjem shvatanju formiranja galaksija, male galaksije su se sudarale i stapale kako bi stvarale veće galaksije. Njihove centralne crne rupe su se verovatno takođe spajale i tako formirale supermasivne crne rupe koje su prisutne u središtu većine galaksija. Paralelno s ovim, verovatno su oslobađale gravitacione talase koji postoje i danas.

Iako su toliko stari, ovi talasići su veoma mali. Da bi se primetili, potreban je superprecizni detektor. Najveći do sada napravljeni detektor je Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), koji se nalazi u SAD.

Sada na scenu stupaju milisekundni pulsari. Oni su udaljeni mnogo svetlosnih godina od Zemlje, što ostavlja vremena i prostora za intervenisanje u kom bi gravitacioni talasi mogli da se nežno šire i skupljaju i tako menjaju vreme koje je potrebno da prođe da bi njihovi pulsevi pogodili Zemlju. Teoretski, sve što bi bilo potrebno da se ovaj efekat primeti je jedan svetli milisekundni pulsar koji se može precizno meriti tokom nekoliko godina.

U praksi, ovaj efekat nije dovoljno veliki da se primeti čak ni kod najsvetlijih i najbolje merenih pulsara. Međutim, postoji način da se to zaobiđe. Dok se gravitacioni talasi oslobađaju od svog izvora, oni šire prostor-vreme u jednom pravcu i pritiskaju ga pod uglom od 90 stepeni. Pulsevi pulsara koji stižu na Zemlju i koji prolaze kroz rašireno područje stižu neobično udeljeni, a oni koji prođu kroz pritisnuti predeo stižu bliži jedan drugom. Ukoliko bismo obeležili milisekundne pulsare na nebu i merili njihove pulseve dovoljno dugo da otkrijemo prosečno vreme koje im je potrebno da stignu na Zemlju, bilo koja varijacija u tom vremenu bi označavala uticaj gravitacionih talasa.

Ponovo o poretku kosmosa?

Trenutno postoje tri projekta kojima se traga za gravitacionim talasima na ovaj način. To su Parkes Pulsar Timing Array u Parksovoj opservatoriji, NanoGrav, koji se nalazi u Portoriku, i European Pulsar Timing Array (EPTA), koji kombinuje podatke radio-teleskopa iz Nemačke, Holandije, Francuske, ostrva Sardinije i Velike Britanije.

Da bi se video gravitacioni talas, potrebno je meriti dvadeset milisekundnih pulsara na preciznosti od 100 nanosekundi na dve nedelje, tokom pet godina. Međutim, nema takvih pulsara.

Januara ove godine, NASA je objavila da je otkrila 17 novih milisekundnih pulsara. Oni verovatno neće svi odgovarati, ali su prilično ravnomerno raspoređeni po nebu, a mnogo ih se vidi sa severne hemisfere. U poređenju sa južnim nebom, severno je do sada bilo pustinja imajući u vidu broj pulsara.

Ipak, najbolji rezultati bi se svakako dobili ukoliko bi se povezali najbolji pulsari i sa severa i sa juga, što je ideja u povoju. Naučnici smatraju da je realno da će gravitacioni talasi biti detektovani u periodu do 2015. godine.

Džordž Hobs takođe ističe da bi bilo jako interesantno ukoliko ni tada ne budu primećeni gravitacioni talasi. Ukoliko budu primećeni, biće potvrđena još jedna Ajnštajnova pretpostavka; ali, ako gravitacioni talasi ne postoje, biće potrebno ponovo razmotriti opšti relativitet, kao i čitavu ideju o poretku stvari u kosmosu. Hobs smatra da bismo se u tom slučaju možda vratili na naučnu nulu.

Mirko Jakovljević