Gravitacija – vrhovna izvršna sila vesolja

V nacionalnem tiskovnem središču v Washingtonu so minuli četrtek, kakor smo v Delu že na kratko poročali, odmevno predstavili izsledke večdesetletne mednarodne raziskave, s katero so znanstveniki neposredno dokazali valovanje prostor-časa, ki je očitno posledica trka dveh črnih lukenj pred več kot milijardo leti; dokaz o tem dogodku je na Zemljo pripotoval 14. septembra lani. V navdušenju nad epohalnim odkritjem je že slišati ocene o znanstvenem podvigu stoletja, začetku nove ere v astronomiji in tako rekoč zagotovljeni Nobelovi nagrado za fiziko.

Albert Einstein je v teoriji relativnosti prostor-čas definiral kot mnogoterost, v kateri se odvija prav vse, kar se dogaja v vesolju. Ker potrebujemo tri koordinate za napoved kraja, četrta koordinata pa opredeljuje trenutek dogajanja, imamo prostor-čas za štirirazsežno mnogoterost.

Po sodobni teoriji gravitacije (Einsteinovi teoriji) je prostor-čas tesno povezan z maso, in sicer tako, da ga masa ukrivlja, in to tem bolj, čim gostejša je. Normalne zvezde naredijo v prostor-čas razmeroma majhno »vdolbino«, črne luknje pa ustvarijo tolikšno, da se pri nekem polmeru njihov prostor-čas odtrga od zunanjega sveta. Ko se črne luknje (ali druga zelo gosta telesa) v vesolju srečujejo, se ukrivljenost prostora, ki jo ustvarja prvo telo, nalaga na ukrivljenost, ki jo ustvarja drugo telo, in tako pri bližnjem srečanju nastane val ukrivljenosti, ki se od para širi po vesolju. In takšnemu valu ukrivljenosti rečejo gravitacijski val.

Njegova amplituda se seveda z razdaljo zmanjšuje kot pri vsakem valovanju, ki se širi od izvora navzven, zato je daleč od izvora res zelo majhna. Ker po vsem, kar vemo o vesolju, ne moremo pričakovati pogostega plesa dveh črnih lukenj v bližnjem vesolju, vse do lanskega septembra gravitacijskih valov ni bilo mogoče zaznati, pa čeprav so bili napovedani že pred sto leti. Septembra lani pa sta detektorja LIGO dosegla zadostno občutljivost, da sta lahko zaznala gravitacijske valove, ki jih je povzročil trk dveh črnih lukenj na oddaljenosti 1,3 milijarde let.

Po besedah vodilnih avtorjev raziskave so tokrat identificirani gravitacijski valovi nastali v okolici dveh zelo oddaljenih črnih lukenj, ki sta z veliko hitrostjo krožili druga okoli druge, se druga drugi vse bolj približevali in nazadnje silovito trčili ter ustvarili eno samo, večjo črno luknjo.

Spektakularni dogodek izpred 1,3 milijarde let je komaj predstavljiv: dve veliki črni luknji, ena z maso 29 Sonc in druga z maso 36 Sonc, sta pred trkom obkrožali druga drugo z naraščajočo kotno hitrostjo večdesetkrat na sekundo, nazadnje pa se zlili v eno – nekako tako kakor milna mehurčka v vodi.

Izvršni direktor zmagovitega projekta Ligo David Reitze je bil na tiskovni konferenci v Washingtonu še bolj slikovit: »Zamislite si, da v nekaj, kar ima premer 150 kilometrov, stlačite maso 30 Sonc in to pospešite do polovične svetlobne hitrosti. Vzemite še eno podobno 30-krat večjo maso od Sončeve in jo prav tako pospešite do polovice hitrosti svetlobe. Nato pa oba objekta treščite skupaj. Prav to se je namreč zgodilo 1,3 milijarde svetlobnih let daleč od Zemlje. In ko smo po dolgem prizadevanju končno zaznali ta dogodek, se je seveda tudi nam zavrtelo v glavi.«

Enačba v akciji

V trenutku silovitega trčenja sta črni luknji sevali čisto energijo – v obliki gravitacijskih valov, hkrati pa izjemno hitro izgubili maso, ekvivalentno trem masam Sonca. Energija je masa krat kvadrat svetlobne hitrosti – le kdo ne pozna te znamenite Einsteinove enačbe? In znanstveniki so 14. septembra lani enačbo E = mc2 naposled tako rekoč zasačili v akciji!

Zato si jo poskusimo še enkrat ponazoriti. Detektirani gravitacijski valovi so nastali pri zlivanju dveh masivnih črnih lukenj. A ko sta se združili oziroma zlili, nastala črna luknja ni imela mase 65 (29 + 36), ampak le maso 62 mas Sonca; preostale tri mase Sonca so se spremenile v energijo gravitacijskih valov. Ti valovi so torej ob svojem vsega 2 stotinki sekunde trajajočem maksimumu odnesli energijo, ki je za kar 50-krat prekašala sproščeno energijo vseh zvezd v vesolju v istem časovnem intervalu!

V dolgoletni obsežni raziskavi sodeluje več svetovnih observatorijev, toda omenjeni, izjemno šibek val, ki je v detektorju povzročil nihanje z amplitudo samo nekaj stotink premera atomskega jedra, sta 14. septembra lani malo pred deseto uro po Greenwichu zaznali dve med seboj oddaljeni, a simultano delujoči napravi v ZDA, tako imenovana laserska interferometra. »Nobenega dvoma ni več, vesolje nas je prvikrat nagovorilo z gravitacijskimi valovi,« je v Washingtonu navdušeno izjavil dr. Reitze; »v tem smislu smo bili doslej gluhi.«

Oči in ušesa kozmosa

Znanstveni podvig je omogočil par velikanskih laserskih detektorjev v ameriških zveznih državah Louisiana in Washington, stoječih 3000 kilometrov vsaksebi. »Črni luknji sta ob trčenju ustvarili gravitacijske valove, ki so povzročili silovit vihar v prostor-času – vihar, v katerem se je čas pospešil, upočasnil pa spet pospešil, zato se je oblika prostor-časa upogibala sem in tja,« je za agencijo Reuters povedal dr. Kip Thorne s Kalifornijskega tehnološkega inštituta (Caltech).

Obe glavni sinhrono delujoči merilni napravi observatorija Ligo (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) sta zaznali izjemno šibke vibracije zaradi gravitacijskih valov, ko so ti neovirano potovali skozi naš planet. Še več, s pretvorbo valovnih signalov v slušne so znanstveniki lahko prvič dejansko poslušali šume ob zlitju dveh masivnih črnih lukenj.

Tudi profesor Karsten Danzmann z Inštituta Maxa Plancka za gravitacijsko fiziko v Hannovru ne skriva navdušenja, da je »prva neposredna zaznava gravitacijskih valov in trka črnih lukenj popolna potrditev splošne teorije relativnosti, saj se lastnosti tokratnih dveh črnih lukenj skoraj povsem ujemajo s tistim, kar je pred enim stoletjem napovedal Einstein. Doživeli smo popolnoma nov vpogled v vesolje.«

A zakaj so gravitacijski valovi tako zelo posebni?

Vse, kar znanost ve o vesolju, izvira iz elektromagnetnega valovanja, najsi gre za radijske valove, vidno svetlobo, infrardečo svetlobo ali žarke gama. Toda tovrstni valovi med potovanjem po vesolju znova in znova trčijo ob ovire, zato lahko pripovedujejo le del zgodbe. Za gravitacijske valove pa takšnih ovir ni – s svetlobno hitrostjo prehajajo skozi čisto vse, kar srečajo na poti, zato s seboj nosijo pravo obilje informacij, kakršnih drugi valovi ne vsebujejo.

Miniaturno, a ključno

Veliki nemški fizik in matematik Albert Einstein (1879–1955) je že leta 1916 predvidel obstoj gravitacijskih valov kot logično posledico svoje revolucionarne splošne teorije relativnosti; ta je gravitacijo, kot rečeno, definirala kot ukrivljenost prostor-časa zaradi navzočnosti materije.

Toda takšna ukrivljenost prostora je večinoma tako majhna, da je nezaznavna. Samo zares masivna in gosta nebesna telesa, kakršna so črne luknje ali nevtronske zvezde, lahko v prostor-času pustijo zaznaven pečat.

Črne luknje nastanejo, ko se snov tako zgosti, da postane teža na površini telesa tolikšna, da se ji ne more upreti več nobena sila. Niti svetloba ne more pobegniti s površine takšnega telesa, zato pravimo, da se prostor-čas tam s horizontom ogradi od okolice. Nevtronske zvezde pa so izjemno gosti ostanki masivne zvezde, ki je prišla do svojega konca z eksplozijo supernove. Ob eksploziji zunanje plasti zvezde odletijo v prostor, snov v središču pa se tako zgosti, da se skoraj vsi elektroni združijo s protoni v atomskih jedrih in ostane izjemno gosta krogla, sestavljena skoraj izključno iz nevtronov, ki tvorijo nekakšno velikansko atomsko jedro. Nevtronske zvezde so tako kvečjemu desetkrat večje od črnih lukenj z enako maso.

Novo okno v vesolje

Zgodovinskega podviga so veselijo znanstveniki po vsem svetu. V navdušenju je v zvezi z gravitacijskimi valovi slišati celo primerjave s »svetim gralom znanosti«, ki da bo omogočil povsem nove smeri raziskovanja. Med znanstveniki, ki niso samo navdušeni, ampak upravičeno tudi ponosni na lastni prispevek k tokratnemu dosežku, je tudi prof. dr. Andrej Čadež s Fakultete za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani, saj je eden izmed utemeljiteljev raziskovanja zlivanja črnih lukenj. Več o tem si lahko preberete v članku izpod njegovega peresa, takole pa je za Delovo Znanost pojasnil pomen odkritja gravitacijskih valov za nadaljnji razvoj astrofizike:

»Najprej se je pokazalo, da znamo graditi detektorje gravitacijskih valov in jih še izboljšati, zato se nam odpira novo okno v vesolje, ki bo še utrdilo globalno sodelovanje vseh detektorjev gravitacijskih valov in omogočilo identifikacijo izvora valovanja tudi z detektorji elektromagnetnega valovanja. Drugič, potrjena je še zadnja od napovedi Einsteinove teorije gravitacije, s čimer se v celoti podpira njeno verodostojnost za obravnavanje in razumevanje vesolja tudi na časovni skali, ki sega skoraj do samega nastanka vesolja. Tretjič, dejstvo, da je prva detekcija gravitacijskih valov povezana s signalom zlitja dveh ne najmanjših črnih lukenj, dokončno potrjuje njihov obstoj in odpira široko paleto vprašanj o njihovem nastanku. In naposled, gravitacija je edina sila, ki deluje na vse, kar v vesolju obstaja – tudi na temno snov in temno energijo. Neomejeno se razteza po vsem vesolju in predstavlja vrhovno izvršno silo vesolja. Ko bomo z velikimi vesoljskimi interferometri, kakršen je predlagani vesoljski projekt LISA, zaznavali še gravitacijske valove dolgih valovnih dolžin, bomo lahko razumeli, kako gravitacija obvladuje celotno vesolje.«

Povedano drugače, sijajni podvig je oznanil začetek nove ere ne samo za astronomijo, temveč za številna druga področja znanosti.