ASTRONOMIJA

Pripremio: M. R.

Dr prof. Maja Burić, Fizički fakultet Univerziteta u Beogradu

Ka čistijoj slici vasione

Otkriće gravitacionih talasa čije je postojanje u svemiru Albert Ajnštajn predvideo pre jednog veka u svojoj Opštoj teoriji relativnost (OTR) izazvalo je veliku pažnju u medijima, pa se ovim fenomenom pozabavila čak i tabloidna štampa. “Otkriće decenije”, “najvaznije otkriće posle Higsa”, ono otvara “novu eru” u astronomiji, vredno je Nobelove nagrade i sl., samo su neke od prvih ocena ovog naučnog poduhvata. Koliko su takve ocene (ne)odmerene, o kakvom otkriću je reč i njegovom značaju za nauku i tehnologiju, donosimo mišljenje dr Maje Burić, redovnog profesora Fizičkog fakulteta Univerziteta u Beogradu, našeg saradnika u oblasti gravitacionih fenomena, kao glas druge strane, koja nije član LIGO kolaboracije.

Dr prof. Maja Burić

- Ove ocene su uglavnom, tačne - kaže dr Maja Burić. - Detekcija gravitacionih talasa je projekt o kome se govori već oko 50 godina, a prvi pokušaj detekcije učinio je Veber (Weber) sa Univerziteta u Merilendu (SAD) koji je napravio `antenu' za gravitacione talase u obliku aluminijumskog valjka dimenzija otprilike 1m x 1m, oblepljenu piezoelektričnim elementima. U radovima iz 1969. i 1970. u Physical Review Letters objavio je otkriće, tj. detekciju gravitacionih talasa. Njegov rezultat nije nikad eksperimentalno ponovljen i smatra se da je detekcija ovakvim uređajem bila nemoguća jer je efekat previše slab.

Značaj otkrića

Gravitacioni talasi su jedna od posledica Ajnštajnove OTR i jedan od elemenata po kome se OTR razlikuje od Njutnove gravitacije. “Postojanje talasa znači da se energija gravitacionog polja prenosi kroz prostor, kao sama deformacija prostora, brzinom svetlosti. Ovi talasi su transverzalni i po obliku kvadrupolni, za razliku od elektromagnetnih talasa koji su dipolni. Kad bi se gravitaciona interakcija kvantovala, to znači da odgovarajući prenosilac gravitacione interakcije, graviton, ima spin 2 (foton ima spin 1)”, objašnjava prof. Burić.

Ajnstajn je do OTR došao sledeći svoju ideju da se gravitacija može opisati kao geometrija, tako što je u svom desetogodišnjem radu između 1905. i 1915. identifikovao prave geometrijske karakteristike prostora - Rimanov (Reimann) tenzor krivine, Ričijev (Ricci) tenzor itd. - koje mogu da karakterišu odgovarajuće gravitaciono polje. Naravno, kvantitativno, preko Ajnštajnovih jednačina. “Matematički, jedna od glavnih karakteristika ovih jednačina je da su nelinearne, pa ih je teško rešiti u opštem slučaju, za razliku od jednačina elektrodinamike, Maksvelovih (Maxwell) jednačina, i komplikovano je naći ekzaktna rešenja”.

U ovom kontekstu naš sagovornik ističe značaj otkrića o kojem govorimo. “Relativno je jednostavno da se vidi da je rešenje koje predstavlja malu perturbaciju ravnog prostora u stvari slab transverzalni gravitacioni talas koji se kreće brzinom svetlosti. Međutim, mnogo je te ž e naći rešenja u konfiguracijama jakog gravitacionog polja. Ovo je jedan od razloga zašto je LIGO otkriće gravitacionih talasa tako značajno: da bi se uopšte detektovali, pošto je gravitaciona sila u principu slaba, gravitacioni talasi moraju da poteknu od događaja u kome su gravitaciona polja (bila) jaka a kretanja nenjutnovska tj. relativistička. Zato su kao potencijalni izvori gravitacionih talasa, još kada su LIGO i druge opservatorije na Zemlji konstruisane, uzete spajanje crnih rupa (masa reda veličine ili nešto veće od mase Sunca) ili neutronskih zvezda. Slično tome, jedan od glavnih izvora koje će detektovati detektor eLISA u svemiru biće spajanje supermasivnih galaktičkih crnih rupa.”

- Gravitacioni talasi imaju veoma slab signal i, da bi se detektovali, koristi se jedan od tipično najosetljivijih uređaja - interferometar, koji je u ovom slučaju Mikelson-Morli-Fabri-Perotov (Michelson-Morley-Fabri-Perot) interferometar. On meri kako se menja faza laserskog snopa svetlosti pri prolasku kroz dva međusobno normalna kraka interferometra čije su dužine dva ili četiri kilometra, i time da li se dužine između određenih referentnih tačaka, odnosno rastojanja u prostoru, menjaju sa vremenom i kako. Potrebna preciznost koju je LIGO dostigao posle upgrade -a u aLIGO (advanced LIGO) prošle godine je 10(-21), što je stvarno fantastično, smatra Maja Burić, uz napomenu da “tehnologije koje su zato razvijene nisu fundamentalno i potpuno nove (to su laseri, visoki vakuum, apsorpcija rasejanog zračenja)” i da je posebna pažnja u ovom eksperimentu bila posvećena zaštiti tj. otkriću svih izvora šuma ili buke, od seizmičkih do svih ostalih.

1:250.000

LIGO opservatorija u Livingstonu, SAD

- Kako je signal za gravitacione talase po intenzitetu blizak šumu, jedan od najvažnijih segmenata u njihovoj detekciji je karakterističan oblik signala koji šalje sistem od dva velika tela koja se spajaju. U njemu imamo tri faze: međusobno kruženje tj. padanje crnih rupa jedne na drugu (`inspiral') kada su grav/ talasi skoro periodični, njihovo spajanje (`merger'), i `ringdown', kada konačna emisija energije preko gravitacionih talasa posle koje rezultujuća crna rupa `utihne' tj. stabilizuje se i prestaje da značajno zrači.

Dok su za prve dve faze evolucije binarnog sistema postojale i odranije razrađene analitičke metode opisa, poslednju fazu tj. merger moguće je opisati samo numerički. Zato je, osim tehnološkog napretka, za detekciju gravitacionih talasa bio veoma važan i značajan napredak u numeričkoj relativnosti koji se desio upravo u poslednjih desetak godina. Signal koji se dobije eksperimentalno upoređuje se sa jednim od 250.000 uzoraka signala dobijenih teorijski (približnim analitičkim + numeričkim metodama): kad se eksperimentalna i teorijska kriva poklope, mogu se odrediti karakteristike binarnog sistema (mase i momenti impulsa crnih rupa, njihova međusobna udaljenost i brzine u toku procesa spajanja, masa i moment impulsa rezultujuće crne rupe itd.)

Gravitaciona astronomija

- Dakle, detekcija gravitacionih talasa je važna - ističe prof. Maja Burić - jer nam je to zasad jedini direktni uvid u režim jakog gravitacionog polja, i može se reći da su predikcije Ajnštajnove OTR i ovim otkrićem potvrđene. Ali daljim usavršavanjem imaćemo više prilike da ispitamo detalje i potencijalna odstupanja od OTR.

Dalje, većina ili sva osmatranja u astronomiji baziraju se na detekciji elektromagnetnih talasa, koji na svom putu do nas nailaze na različite prepreke (zvezde, planete, galaksije, međuzvezdani gas, magnetna polja) koje menjaju njihovu putanju. Gravitacioni talasi veoma slabo intereaguju sa gorenavedenim objektima, pa će oni u principu dati drugačiju, čistiju sliku svemira i tačno je da će nam gravitaciona astronomija dati nove podatke i nove uvide u svemir i njegovu evoluciju.

Konačno, zašto se kaže da se gravitacioni talasi `čuju' a ne `vide'?

- Jedan od razloga je svakako da su frekvence ovih talasa (koje mogu da detektuju detektori na Zemlji), 40-7.000 Hz, u opsegu zvučnih talasa koji je 20-20.000 Hz. Ali ima i dodatnih razloga, čini mi se da je vrlo lep tekst na sajtu prof. Huges-a sa MIT-a, gmunu.mit.edu/sounds/sounds.html

- Samu potvrdu da gravitacioni talasi postoje - zaključuje Maja Burić - svi su očekivali i u tom smislu njihovo otkriće za teoretičare trenutno nije posebno važno (mada je sigurno vredno Nobelove nagrade). Ali kada detektori gravitacionih talasa budu postali standardni instrument za ispitivanje gravitacione interakcije i svemira, oni će biti instrument koji će moći da proverava predikcije alternativnih teorija gravitacije i kvantne gravitacije, i da teorije odbaci ili potvrdi. Dakle, veoma dragoceno sredstvo u istraživanju osobina prostor-vremena i prirode uopšte.

M. R.

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"