Gravitacijske valove ujeli, potrdili teorijo

Na spletnem Portalu v vesolje, ki ga ureja dr. Andreja Gomboc, profesorica astronomije na Univerzi v Novi Gorici, so februarja letos zapisali, da so gravitacijski valovi sveti gral moderne astrofizike. Le nekaj dni pozneje je svet obšla novica, da so v ameriškem laboratoriju LIGO neizpodbitno detektirali gravitacijske valove, ki jih je s svojo splošno teorijo relativnosti napovedal že Einstein. Po njegovih izračunih in predvidevanjih bi morala telesa z nepredstav­ljivo veliko gostoto in ogromno maso ustvarjati valove v samem prostor-času. Po tej teoriji namreč vsaka masa oz. energija ukrivlja prostor, le da planeti in običajne zvezde niso kaj posebno gosti. To »delo« lahko dobro opravljajo le nevtronske zvezde, črne luknje in druge težke pošasti iz globin vesolja, pravi raziskovalka Andreja Gomboc, ki sodeluje tudi v mednarodni skupini za iskanje optičnih dvojnikov izvorov gravitacijskih valov.

Nekje piše, da imajo gravitacijski valovi velikansko energijo, a so hkrati zelo šibki. Kako to razložiti?

Kot rečeno, je za znatno ukrivitev prostora potrebna velika gostota mase ali energije. Črne luknje in nevtronske zvezde so takšni tipični primeri astronomskih teles, v bližini katerih postane ukrivljenost prostora velika. Za boljšo predstavo: gostote nevtronskih zvezd so tolikšne, da če bi vzeli za kocko sladkorja velik del nevtronske zvezde, bi imela ta kocka maso 100 milijonov ton! V črnih luknjah pa je ukrivljenost tako močna, da iz njih ne more pobegniti niti svetloba.

Einsteinova splošna teorija relativnosti pravi tudi, da če se telo gib­lje pospešeno, na primer da kroži okoli drugega telesa, se ukrivljenost prostora spreminja s časom in nastajajo gravitacijski valovi, ki se s svetlobno hitrostjo razširjajo skozi prostor. Poenostavljeno si lahko predstavljamo, da je pojav podoben valovom na vodni gladini, če vanjo vržemo kamen. Bolj točna je predstava, da gravitacijski valovi izmenično krčijo in širijo prostor in s tem spreminjajo velikosti teles in razdalje med njimi. Pri razširjanju skozi prostor se jakost oziroma amplituda gravitacijskih valov zmanjšuje tem bolj, čim dlje od izvora gredo. V prvem neposredno detektiranem primeru gravitacijskih valov lanskega septembra so ti prepotovali milijardo in 300 milijonov svetlobnih let, preden so prišli do Zemlje, in so bili zato zelo zelo šibki – tako šibki, da so premer Zemlje, slabih 13.000 kilometrov, spremenili približno za velikost enega protona.

So lahko gravitacijski valovi ali detektor tega valovanja za človeka ali snov nevarni?

Odkritje gravitacijskih valov je ta hip pomembno samo z znanstvenega vidika, saj potrjuje veljavnost Einsteinove splošne teorije relativnosti, je še en zelo lep dokaz za obstoj črnih lukenj in odpira novo okno, nov način opazovanja vesolja. Za človeštvo pa gravitacijski valovi ne predstav­ljajo prav nobene nevarnosti, kar je očitno glede na to, da je njihov učinek tako majhen, da ga res komaj komaj izmerimo. Prav tako ni nikomur nevaren detektor gravitacijskih valov laboratorija LIGO.

V čem se gravitacijski valovi razlikujejo od že znanih oblik valovanja (denimo elektromagnetno) in zakaj jih je tako težko odkriti?

Elektromagnetno in druga valovanja so valovanja, ki se dogajajo v prostoru, gravitacijski valovi pa so valovanje samega prostora. Razlikujejo se tudi po drugih fizikalnih lastnostih, na primer, da v eni smeri prostor stisnejo, v nanjo pravokotni smeri pa ga raztegnejo. Odkriti jih je bilo res izredno težko, in sicer zato, ker so izjemno šibki in povzročajo izjemno majhne spremembe razdalj. Kako zahteven znanstveni in tehnološki projekt je detektor gravitacijskih valov LIGO, nam pove dejstvo, da meri dolžino svojih krakov tako natančno, kakor če bi razdaljo do najbližje zvezde, to je štiri svet­lobna leta, izmerili na manj kot za debelino lasu natančno. Gravitacijske valove povzročajo različne vrste teles v vesolju, vendar so s sedanjimi in v bližnji prihodnosti razpoložljivimi detektorji merljivi le gravitacijski valovi, ki prihajajo iz najmočnejših izvorov, to pa so tisti, ki so povezani s črnimi luknjami in nevtronskimi zvezdami.

Za posredni dokaz, ki so ga prinesle meritve kroženja para nevtronskih zvezd, je bila leta 1993 že podeljena Nobelova nagrada. Ali jo bo prinesla tudi detekcija teh valov?

Posredno so bili gravitacijski valovi res odkriti že prej, in sicer v primeru Hulse-Taylorjevega sistema dveh nevtronskih zvezd, ki vedno hitreje krožita druga okoli druge, ker se druga drugi približujeta, kar je posledica tega, da oddajata gravitacijske valove in izgubljata energijo. Krajšanje njune periode in izguba energije se povsem ujemata s teoretičnimi napovedmi gravitacijskega valovanja. Če bi zadnjih nekaj let vprašali astrofizike, ali je neposredno odkritje gravitacijskih valov vredno Nobelove nagrade, bi večina odgovorila, da gotovo. Ali so pripravljeni na to tudi staviti in koliko, pa je odvisno od posameznika. Sama bi bila pripravljena staviti ... koliko? Tam do ene mesečne plače (smeh).

Z odkritjem gravitacijskih valov se napoveduje povsem nov in drugačen pogled na svet. V katero smer bo šel?

Vsakič doslej, ko se je človeštvu odprl nov način opazovanja vesolja oz. se je odprlo novo okno v vesolje, so sledila presenetljiva odkritja. Ko so začeli opazovati vesolje ne samo v vidni svetlobi, ampak tudi v drugih valovnih dolžinah svetlobe, so odkrili povsem nove vrste teles in pojavov. Detekcija delcev, ki prihajajo iz vesolja, je prav tako prinesla nov pogled, na primer na dogajanje v našem Soncu in ob eksplozijah supernov. Kaj točno bo prineslo detektiranje gravitacijskih valov, je težko napovedati. Gotovo bomo s pomočjo gravitacijskih valov izvedeli več o tem, kaj se dogaja v bližini horizonta črnih lukenj in kje vse so. Ker ne oddajajo svetlobe in so zelo majhne, jih je namreč zelo težko opazovati na druge načine. Gravitacijski valovi nam bodo povedali tudi več o nevtronskih zvezdah in lastnostih njihove izjemno goste snovi, kakršne na Zemlji ne moremo ustvariti, o nesimetričnih eksplozijah supernov in kdo ve kaj vse še.