Službeno je potvrđeno – naučnici su pomoću uređaja galaktičkih razmera otkrili „najtraženiji zvuk u svemiru” – pozadinsku gravitacionu tutnjavu koja se širi svemirom i potresa galaksije, zvezde i signale koji njime putuju.
Timovi iz SAD, Evrope, Australije i Indije objavili su rezultate svojih višegodišnjih istraživanja na tu temu u nekoliko naučnih radova u nekoliko naučnih časopisa. U istraživanju je ulestvovalo stotinak istraživača iz 12 zemalja. „Poslednjih 15 godina radimo na potrazi za niskofrekventnim šumom gravitacionh talasa koji odzvanja svemirom i prolazi kroz našu galaksiju, izobličujući prostor-vreme na mjerljiv način”, rekao je predsednik američkog NANOGrav tima, astrofizičar Stiven Tejlor sa Univerziteta Vanderbilt. „Jako smo srećni što možemo objaviti da su naš trud i rad urodili plodom i da imamo uzbudljive dokaze o ovom pozadinskom šumu gravitacionih talasa.”
Šta su to gravitacioni talasi? To su poremećaji u gravitacionom polju koji naizmenično sabijaju i rastežu prostor-vreme kroz koji prolaze i sve u njemu, a šire se slično kao što se valovi vode ili zvuka šire vodom ili vazduhom. Formiraju se prilikom ubrzavanja masa, osobito golemih, primerice u eksplozijama supernova, tokom kruženja zvezda jednih oko drugih na malim udaljenostima u dvojnim zvezdanim sistemima, u sudarima crnih rupa i slično. Mogli su, takođe, nastati u Velikom prasku i u kosmičkoj inflaciji, brzom širenju svemira koje je usledilo neposredno nakon Velikog praska.Gravitacioni talasi putuju brzinom svetlosti.
Postojanje gravitacionih valova predvideo je Albert Ajnšzajn 1916. godine na temelju svoje opšte teorije relativnosti.No, trebalo je celo stoleće razvoja tehnologije da konačno 2015. budu potvrđeni u velikim uređajima LIGO i Virgo koji su dovoljno osetljivi da detektuju njihove slabašne efekte. Za ovo je otkriće 2017. dodeljena Nobelova nagrada, a ono je omogućilo sasvim novu vrstu istraživanja svemira – astronomiju gravitacionih talasa. Do danas je registrovano stotinak događaja koji su ih odaslali.
Odakle oni dolaze? Iako nova proučavanjanisu dala definitivan odgovor, glavna pretpostavka jeste da su ih emitovali binarni sistemi supermasivnih crnih rupa. Naučnici već duže vreme pretpostavljaju da oni postoje u nekim galaksijama. Mogli su nastati na više načina, pre svega stapanjem dve galaksije koje su u svojim središtima imale supermasivne crne rupe. Kada se supermasivne crne rupe nađu u binarnom sitemu, okreću se jedna oko druge i odašilju gravitacione valove.
Astronomija gravitacionih valova može dati uvide u zbivanja koja ne možemo zabeležiti u obliku elektromagnetskih talasa. Pored ostalog, ona bi mogla otkriti šta se zbivalo neposredno nakon Velikog praska. Trenutno to ne možemo znati jer je svemir nekih 380.000 godina nakon Velikog praska bio previše jonizovan i veoma gust da bi se elektromagnetski talasi mogli širiti. No, neprozirnost svemira za elektromagnetske valove nije prepreka za gravitacione.
U novim istraživanjima navedeni timovi su nezavisno otkrili tragove tzv. pozadinskog šuma gravitacionih valova. Odakle oni dolaze? Iako nova proučavanja nisu dala definitivan odgovor, glavna pretpostavka jeste da su ih emitovali binarni sistemi supermasivnih crnih rupa. Naučnici već duže vreme pretpostavljaju da oni postoje u nekim galaksijama. Mogli su nastati na više načina, pre svega stapanjem dve galaksije koje su u svojim središtima imale supermasivne crne rupe. Kada se supermasivne crne rupe nađu u binarnom sitemu, okreću se jedna oko druge i odašilju gravitacione valove.
Emitujjući gravitacione talase ti dvojni sistemi gube energiju i crne rupe se sve više približavaju jedna drugoj i na kraju spajaju u jednu još veću. Ovo stapanje može proizvesti jake gravitacione valove koji se mogu posmatrati postojećim detektorima na Zemlji. Sudari crnih rupa zabeleženi su mnogo puta u uređajima LIGO i Virgo, čiji su krakovi, dugačli četiri kilometra, bili dovoljno osetljivi, a talasna dužina meri u hiljadama kilometara. No, nisu dovoljno osetljivi za otkrivanje druge vrste gravitacionih valova mnogo većih talasnih dužina koje stvaraju supermasivne crne rupe kruženjem jedna oko druge, a mere se u svetlosnim godinama.
Da bi registrovao takve talasne dužine, detektor bi morao imati krakove koji se protežu gotovo polovinom galaksije.Stoga su naučnici odlučili da samu galaksiju pretvore u vrstu detektora. Iskoristili su, naime, grupe pulsara koji postoje u Mlečnom putu.Šta su to pulsari?Pulsari su ostaci nekadašnjih masivnih zvezda koje su se ugasile u spektakularnim supernovama, ostavljajući za sobom samo gusta jezgra sastavljene od neutrona. Svaki pulsar je malen, otprilike veličine grada, a rotira stotinama puta u sekundi.
Svojim jakim magnetskim poljima i brzom rotacijom oni stvaraju snažne elektromagnetske snopove. Magnetna polja pulsara koncentrisana su u polovima zvezde, a ta mesta se nazivaju magnetnim jamama. Rotacija pulsara uzrokuje da magnetna jama menja svoj položaj u odnosu na Zemlju, što rezultira kretanjem snopa svetlosti ka i od Zemlje. Ovi pulsevi zbivaju se u toliko preciznim, kratkim intervalima da mogu poslužiti za različita merenja.
Tu u igru ulaze gravitacioni talasi. Naime, rastezanje i stiskanje prostor-vremena kroz koje prolaze pulsevi pulsara teoretski bi trebalo stvarati male nepravilnosti u vremenskim intervalima u kojima oni dolaze do nas na Zemlji. Ako gravitacioni talas malo skrati ili produži prostor-vreme kroz koji prolazi signal pulsara, na Zemlji će se zabeležiti mali poremećaj u njegovom dolasku.No, poremećaj zabeležen u signalu jednog pulsara nije dovoljan da se nedvosmisleno utvrdi da je on posledica uticaja gravitacionih valova. Zato je potrebno da isti efekat pokazuje veća grupa pulsara.
Naučnici su pronašli neke naznake zapisa gravitacionog pozadinskog šuma u bljeskovima grupa pulsara, no do nedavno nije bilo dovoljno podataka da se može reći da li je u pitanju slučaj ili greška. „Morali smo da hakujemo galaksiju”, objasnio je DŽef Hezbon, član NANOGrav tima koji ima gotovo 100 članova iz SAD, Kanade i dvanaest drugih zemalja. „To je jedna od najuzbudljivijih stvari u ovom projektu za mene.”U najnovijoj analizi, objavljenoj u seriji naučnih radova u časopisu The Astrophysical Journal Letters i drugim, naučnici su proučavali podatke sa sedamdesetak pulsara. „Ako puls malo kasni ili malo žuri, to se može pripisati prolasku gravitacionog talasa”, dodao je Hezbon, objašnjavajući da gravitacioni val rasteže ili komprimuje prostor-vreme i menja udaljenost koju puls mora prevaliti da bi stigao do Zemlje.
Uzorak odstupanja od očekivanih vremena dolaska snopova pulsara ukazuje da prostor-vreme pod udarom gravitacionih talasaa podrhtava kao ogromni želatin. „Jako je teško utvrditi dolaze li valovi iz jednog određenog smera”, naglašava Hezbon.Umesto da vide jedan val što dolazi, kako bi ga videla osoba koja stoji na plaži i gleda u more, ovaj naučnik tumači da zabeleženi signali više podsećaju na iskustvo plivanja u nemirnom okeanu.Istraživači još ne znaju šta stvara te valove, međutim rezultati se podudaraju s predviđanjima efekta kruženja supermasivnih crnih rupa.
No, izvor zabeleženih signala mogao bi biti nešto neobičniji –od kosmičkih niti koje su mogle nastati na izmaku Velikog praska, preko tamne materije, do prapotopskih crnih rupa koje su se formirale nedugo nakon Velikog praska ili kosmičke inflacije.Objavljeni rezultati se još ne mogu smatrati konačnim otkrićem pozadinskog gravitacionog šuma, ali postoje izgledi veći od 99% da je to stvaran fenomen. NANOGrav-ovsignal ima pouzdanost od 4 sigme (ili 99,349%), a temelji se na 67 pulsara. Zlatni standard za otkriće koje se može smatrati potvrđenim jeste 5 sigma. To znači da će naučnici morati obaviti još dosta posla.
(Ilustracija NANOGrav/Aurore Simonet)
(Indeks)
