Einstein je mislio da postoje, ali ih nikad nećemo detektirati. Kako su ulovljeni gravitacijski valovi

Detektor u Livingstonu je 14. rujna 2015. godine u 11:51 sati primijetio pomak jednog od ogledala, kroz promjenu zbroja laserskog signala iz oba okomita kraka 4 kilometra dugih tunela. To i ne bi bilo tako neobično da se isti uzorak nije pojavio točno 6,9 milisekundi kasnije u detektoru u Hanfordu. Dvije godine poslije, 3. listopada 2017. Rainer Weiss, Kip Thorne i Barry Barish su dobili Nobela za fiziku

Direktni povod ove priče je dodjela Nobelove nagrade trojici američkih fizičara, Reineru Weissu, Barryju Barishu i Kipu Thorneu, za doprinos LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) detektoru i za otkriće gravitacijskih valova.

Sada zatvorite oči (šala, nemojte, jer nećete moći dalje čitati -:) ) i zamislite svijet udaljen od vas milijardu i četiri stotine milijuna svjetlosnih godina, što je oko  14 000 000 000 000 000 000 000 kilometara. U tom svijetu dvije crne rupe, jedna mase 36 puta veće od Sunca (masa Sunca je oko 2 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 kilograma), a druga 29 puta veće mase od Sunca, već milijunima godina kruže jedna oko druge. I odjednom se dogodi nešto zaista spektakularno: u par desetina sekunde te dvije crne rupe se ujedine u jednu crnu rupu mase 62 puta veće od Sunca. Razlika od tri mase Sunca se izrači u obliku gravitacijskih valova. U tom kratkom trenutku gravitacijsko zračenje je nekoliko puta snažnije nego zajedničko svjetlo svih zvijezda u vidljivom svemiru (kojih je oko 10 000 000 000 000 000 000 00 ili deset tisuća milijardi milijardi).

Gravitacijski valovi iz ovog događaja, koji izgledaju slično kao valovi na površini vode kada bacite jedan kamen, samo što se umjesto vode ovdje zgušnjavaju i prorjeđuju prostor-vrijeme, putovali su 1,4 milijarde godine i 14. rujna 2015. godine oko 11:51 sati po našem vremenu stigli su do Zemlje. Premda je ovaj događaj bio spektakularno snažan, zbog velike udaljenosti  na putu do Zemlje, oslabio je do te mjere da je efekt gravitacijskih valova na prostor-vrijeme na Zemlji bio izuzetno mali: prostor se suzio i proširio za oko tisućiti dio promjera jezgre atoma ili sto tisuća milijardi puta manje od širine vlati kose. Mjerenje tako malog efekta je bio izuzetno izazov, što su znanstvenici iz LIGO kolaboracije ipak uspjeli i zato su dobili Nobelovu nagradu. Logično pitanje je: kako je izmjerena ovako spektakularno mala turbulencija u prostoru? Odgovor je u nastavku teksta.

LIGO je projekt koji vodi međunarodna znanstvena kolaboracija od oko tisuću znanstvenika iz cijelog svijeta. Sastoji se od dva ogromna uređaja u obliku velikog slova L, jedan u Hanfordu, na sjeverozapadu Sjedinjenih Američkih Država, a drugi u Livingstonu u Louisiani, razmaknutih za oko 3 000 kilometara, prikazanih na sljedećoj slici.

Detektori se sastoje od dva okomita tunela, duljine 4 kilometra. Na početku, gdje se spajaju oba tunela, jedna se laserska zraka razdijeli na dva dijela i pošalje istovremeno u oba tunela. Na kraju tunela nalazi se ogledalo, od kojeg se zraka odbije, vrati na početak i tamo zbroji sa zrakom iz okomitog tunela. Zbroj (interferencija) tih dviju zraka proizvede specifičan uzorak, koji ovisi o putu kojeg je zraka prešla u svakom od tunela. Kada se jedno ogledalo pomakne, makar i za izuzetno malo, taj interferencijski uzorak se poremeti i sustav može izmjeriti o kolikom se pomaku radi. Naravno, nije sve baš ovako jednostavno. Da bi se osjetljivost instrumenata povećala, zraka se odbija od ogledala na početku i kraju tunela oko 300 puta prije nego se zbroji sa zrakom iz drugog tunela. S druge strane, kako bi se smanjio utjecaj okoline, jer na primjer vlak koji prođe blizu tunela može pomaknuti ogledalo puno više nego što bi to napravili gravitacijski valovi, ogledala su proizvedena i stabilizirana posebno osmišljenim tehnikama. Princip rada LIGO detektora prikazan je na sljedećoj slici.

Detektor u Livingstonu je 14. rujna 2015. godine u 11:51 sati  je primijetio pomak jednog od ogledala, kroz promjenu zbroja laserskog signala iz oba okomita kraka 4 kilometra dugih tunela. Samo po sebi to i ne bi bilo tako neobično, da se isti takav uzorak nije pojavio točno 6,9 milisekundi kasnije u detektoru u Hanfordu. Isti uzorak, uz ovu vremensku razliku ukazivao je na mogućnost da je taj signal posljedica gravitacijski valova, koje su proizvele dvije crne rupe u svom ljubavnom zagrljaju (malo romantike za vas koji ste došli do ovog dijela teksta ne škodi -:) ). Naravno, hipotezu je trebalo veoma detaljno ispitati, za što je znanstvenicima trebalo oko pet mjesec i tek su 11. veljače 2016. godine objavili otkriće gravitacijskih valova.

Izmjereni interferencijski uzorak prikazan je na sljedećoj slici.

Trojica znanstvenika koji su dobili Nobelovu nagradu su samo predstavnici velikog broja znanstvenika koji su radili na teorijskim predviđanjima i objašnjenjima, kao i na eksperimentalnoj potrazi za dokazima postajanja gravitacijskih valova. Prvo je postojanje ovih fenomena u prirodi predvidio Albert Einstein 1916. godine, ali je smatrao da su efekti gravitacijskih valova tako sićušni da ih nikad nećemo moći izmjeriti. Kasnije je čak i počeo sumnjati u njihovo postojanje, ali je na kraju ipak zaključio da bi trebali postojati, kao posljedica objekata koji imaju masu i koji se ubrzavaju.

Od trojice novih Nobelovaca, Rainer Weiss je pionir eksperimenta za detekciju gravitacijskih valova, Kip Thorne je radio na teorijskim predviđanjima te je započeo neke od najranijih eksperimentalnih poduhvata, a Barry Barish je vodio LIGO kolaboraciju u kritičnim vremenima i praktički je uspostavio temelje na kojima je kolaboracija kasnije rasla i razvijala se te u konačnici napravila ovo otkriće. Zanimljivo je da je Kip Thorne bio izvršni producent i znanstveni savjetnik filma Interstellar, a i dalje je aktivan u produkciji hollywoodskih filmova.

Od 14. rujna 2015. do danas LIGO kolaboracija je detektirala još dva signala iz ujedinjavanja crnih rupa u udaljenom svemiru, a prije par dana, zajedno s VIRGO eksperimentom u Italiji objavili su otkriće još jednog signala, te po prvi put precizno odredili i smjer iz kojeg taj signal dolazi.

Otkriće gravitacijskih valova predstavlja otvaranje jednog novog prozora u svemir, za promatranje nekih od najekstremnijih procesa u svemiru, poput spajanja crnih rupa, spajanje neutronskih zvijezda, spajanja galaksija, kao i detekciju signala iz najranijih vremena nastanka svemira, praktički odmah nakon Velikog praska. Od 14. rujna 2015. do danas LIGO kolaboracija je detektirala još dva signala iz ujedinjavanja crnih rupa u udaljenom svemiru, a prije par dana, zajedno s VIRGO eksperimentom u Italiji objavili su otkriće još jednog signala, te po prvi put precizno odredili i smjer iz kojeg taj signal dolazi.

U budućnosti će se LIGO i VIRGO eksperimentima pridružiti još nekoliko sličnih eksperimenata u Indiji i Japanu, a planiraju se i sateliti u orbiti oko Sunca, razmaknuti za nekoliko milijuna kilometara, koji će na sličan način mjeriti signale gravitacijskih valova. Sve u svemu, očekuje nas još mnogo uzbuđenja u ovom novom području znanosti, s puno saznanja o najčudesnijim fenomenima u svemiru.

Otkriće gravitacijskih valova potvrdilo je, po tko zna koji put, da je moderna znanost fantastičnija od bilo koje znanstvene fantastike. Svemir je čudesno mjesto, a mene, kao pripadnika ljudskog roda, čini ponosnim činjenica da ga, iz dana u dan, sve bolje razumijemo.

• dr. sc. Ivica Puljak, redoviti je profesor fizike na Fakultetu elektrotehnike, strojarstva i brodogradnje u Splitu