Nastavak, prvi dio možete pročitati ovdje.
Na svim ostalim područjima astrofizike i fizike čestica pozorno se osluškivalo ima li na tom području ikakvog uspjeha. Da bismo mi, sićušni, kratkotrajući mikrobi u tom svemirskom beskraju neporecivo dokazali da je svemir »mjehur od sapunice«, a ne kristalna kugla, valjalo je vrlo lukavo smisliti uređaj koji bi valove što mreškaju golemi prostor i vrijeme uspio zabilježiti. Opservatorij i kolaboracija LIGO, u suradnji s europskom kolaboracijom Virgo, nije »pala s Marsa« da bi za Physical Review Letters od 11. veljače mogli napisati znanstveno vjerodostojno izvješće o otkriću. Taj ogranak astrofizičkih kozmoloških istraživanja napada se s više fronta.
POMOĆ IZ SVIH DISCIPLINA ASTRONOMIJE
Jedna je, na primjer, međunarodna kolaboracija MAGIC sa dva teleskopa koja u opservatoriju blizu vrha Roque de los Muchacos na kanarskom otoku La Palmi – u kojoj surađuju i hrvatski astrofizičari iz Splita, Rijeke i Zagreba – proučavaju crne rupe u aktivnim galaktičkim jezgrama, visokoenergetske ostatke eksplozija supernova i drugih galaktičkih izvora poput pulsara te događaje kao što su poništavanja tamne tvari, daje zgodan repozitorij potencijalnih visokoenergetskih meta odakle bi se mogli detektirati prostornovremenski valovi čija je dužina i do stotine promjera našega Sunca.
Kandidatske mete za promatranje gravitacijskih valova su danas, uz već poznati sudar dviju crnih rupa, i neutronske zvijezde. Ta su nebeska tijela razmjerno sitni svemirski objekti goleme mase. Zapravo su ostaci eksplozija supernova, golemih zvijezda koje su se urušile nakon što su potrošile gorivo u svojim jezgrama te potom eksplodirale. Eksplozija je u svemir izbacila velik dio njenog materijala u obliku elemenata težih od osnovnih sastojaka materije – vodika i helija – ali je implozivna sila supernove sažela materijal u sastojak visokoenergetske neutronske zvijezde.
ZAŠTO SU NAŠE METE NEŠTO TAKO GOLEMO?
Samo zato jer je i ono čime su prvi put zabilježeni gravitacijski valovi supersofisticirani, dvaput unaprijeđeni golemi instrumenti, kojima su jedva pouzdano registrirano ulovljeni gravitacijski valovi. Time što je dokazano da postoje, otvara se era njihova proučavanja sve naprednijim instrumentima, mjerenjima, razumijevanje njihove prirode u detaljima, neočekivanim anomalijama i svime drugim što se još ne sluti, kako bi se njihova priroda potpunije razumjela u skladu sa svim ostalim što se u kozmološkim proučavanjima do sada zna. Ne treba, također, izgubiti iz vida kako je posve pouzdano da će daljnjim napretkom njihova razumijevanja u prah i pepeo pasti mnogo raznih i razrađenih hipoteza, kao što su dokazivanjem njihova postojanja u valhalu poslani nizovi upućenih proračuna i nagađanja koji na gravitacijske valove nisu računali. Jer – to je znanost: da se s veseljem napuste neodrživi koncepti i krene dalje.
Usporena simulacija:
Događaj koji je zabilježen još 14. rujna 2015. godine u 11.51 po srednjoeuropskom vremenu u dva detektora u SAD-u trajao je u svojem vršku samo 20 milisekunda. Bio je to trenutak stapanja dviju crnih rupa od kojih je jedna imala masu od otprilike 36 naših sunaca, a druga od 29. Prvi je relativistički paradoks to se taj događaj zapravo dogodio prije 1,3 milijardi godina, u vrijeme dok se na Zemlji još nije razvio višestanični život. Toliko su, naime, svjetlosnih godina bile udaljene promatrane crne rupe da bi odraz njihova sraza uspio doći do nas. Ta su se dva masivna svemirska tijela privlačila milijardama godina u sporom gravitacijskom plesu, orbiti oko točke zajedničkoga poništavanja gravitacije. Orbitiranje je sve to vrijeme išlo eonskim tempom, tako da se spiralno kruženje ubrzavalo s njihovim sve većim približavanjem. U posljednjoj fazi prije sraza, kada je dosegla čak 75 orbita u sekundi, brzina vrtnje je bila blizu brzini svjetlosti. Nakon sraza, masa je novoga tijela jedinstvene crne rupe bila 62 mase sunčanih. Ostatak je materije kao energija »grunuo« u svemir, pa je tako došao i do nas taj udarni val da na instrumentu iscrta svoj trag.
MUKOTRPNI RAZVOJ INSTRUMENATA
S tolikom vremenskoprostornom udaljenošću događaja koji su 14. rujna 2015. zabilježili instrument, pravi je relativistički paradoks pitanje koje, začuđeni nad time što smo to dokučili, postavljamo sami sebi:
Što je sada tamo?
Što nam pojam sada uopće znači?
Od toga događaja lanjskoga rujna do objave članka i presice iz Washingtona znanstvenici nisu radili ništa drugo do li hektično provjeravali je li se negdje slučajno potkrala kakva pogreška. Nije. O tome govori ono mjerilo točnosti – sigma.
No, kako je radio taj instrument koji je zabilježio to kolebanje i izobličavanje vremena/prostora?
LIGO su dva detektora, jedan u Handordu (više o zanimljivoj povijesti lokacije možete pročitati ovdje) na zavoju rijeke Columbia na sjeverozapadu SAD-a, a drugi je na jugoistoku u Livingstonu u Louisiani. Međusobno su dvije lokacije udaljene nešto više od 3000 kilometara zračne linije. Zašto su toliko udaljena ta dva položaja? Zato, da se čim preciznije detektira očekivana vremenska razlika između signala, a istodobno i da se osigura potvrda.
Godine 1967. već je spomenuti Rainer Weiss s MIT-a objavio analizu po kojoj bi se gravitacijske valove dalo zabilježiti uređajem temeljenim na laseru. Godinu dana poslije njegov student, već spomenuti Kip Thorne na Caltechu u Pasadeni je pokrenuo teorijske napore da se u pojedinostima razradi ta zamisao. Šezdesetih i sedamdesetih godina prošloga stoljeća na tom su tragu razmišljali Heinz Billing iz Garchinga u Njemačkoj te Ronald Drever, James Hough i kolege sa Sveučilišta Glasgow u Škotskoj.
Godine 1980. Američka zaklada za znanost (NSF) financirala je gradnju MIT-ova interferometra dužine 40 metara koji bi trebao dokazati da bi kasniji, mnogo veći instrument temeljen na tim postavkama doista mjerio ono što sr pretpostavlja da mjeri. Međuprojekt gradnje interferometra dužine krakova od jedan kilometar nikad nije prihvaćen, a nakon što je ipak dokazano da takav instrument radi od 1989. do 1992. godine odbacivan je prijedlog da se izgradi takav instrument pune veličine, s krakovima od po četiri kilometra. Skupo, a k tome se zahtijevalo da se instrument izgradi još i na dva mjesta. Inicijalna potpora projektu iz 1992. od 23 milijuna dolara bila je dovoljna tek da se kolaboracija LIGO strukturira, a nakon što je 1994. je smijenjeno čelništvo projekta koje je 1993. umalo zamrznuto. To se pokazalo uspješnim, pa je preinačen projekt 1994. godine dobio 395 milijuna dolara te su se detektori počeli graditi.
Od 2002. do 2010. godine američki detektori nisu dali nikakve rezultate! Tek nakon što su detektori ugašeni na pet godina da bi bili nadograđeni vođeni iskustvom europskog detektora GEO600 u Sarstedtu južno od Hannovera u Njemačkoj, te nakon što su američki detektori umreženi s ostalima, stvorili su se uvjeti da gravitacijski valovi doista budu zabilježeni, propisno izmjereni i nezavisno potvrđeni. Europski su kapaciteti u međuvremenu u naporima ujedinili Institut Albert Einstein u Potsdamu, fizičare Sveučilišta Leibniz u Hannoveru sa sveučilištima u Glasgowu i Cardiffu. Na svim su se tim lokacijama dobiveni podaci međusobno razmjenjivali i uspoređivali
NAPOR ČOVJEČANSTVA
Cijela ova priča o peripetijama pri gradnji laserskih interferometara ovdje je samo radi toga da se stekne predodžba o tome koliko je teško (i skupo) upustiti se u projekt s ambicijom da se okrene nova strana u znanosti, pri čemu ništa ne jamči da se takav pokušaj neće pokazati bezvrijednim.
Današnja se znanost prilično udaljila od predodžbe o usamljenom genijalcu koji samozatajno tajno razvija pokus osamljen u svom laboratoriju, poput Newtona i Galileija. Naprotiv, za takvo što danas ne samo da je neophodna međunarodna kolaboracija kakva se provodi npr. u CERN-u i drugim institutima, nego su takva otkrića zasluge rada više generacija znanstvenika.
Danas su LIGO opservatoriji u Hanfordu i Livingstoneu četiri kilometra duge betonske cijevi u obliku slova V spojene u zajedničkoj točki pod kutom od 90 stupnjeva. S njihovoga se spoja u svaku cijev ispaljuju tanki laserski snopovi koji se odbiju od zrcala na isteku svake cijevi.
LIGO nije proradio sve dok u detektor nije ugrađen njemački izum s dodatnim zrcalima u spoju cijevi koje svjetlosnu zraku kroz cijev vraćaju na drugo zrcalo u kraju svakoga kraka te na taj način dvaput produžuju cijev. Kada se zrake napokon vrate u spoj tih dviju cijevi one se stapaju. Kako je poznato da svaka boja u spektru ima fiksnu frekvenciju, kad se te dvije zrake spoje one, kao i svi drugi valovi, interferiraju. Ponište se. Poremećaj u prostor-vremenu koji se dogodi pri gravitacijskom valu, poremeti idealne i očekivane okolnosti. Zbog toga, da do poremećaja ne bi došlo iz nekog neočekivanog izvora, pri unapređenju instrumenata vrijednom 620 milijuna dolara je, između ostaloga, ugrađena savršena seizmička izolacija. LIGO je svih ovih godina kalibriran da osim seizmičkih poremećaja »razumije« i sve ostale poremećaje iz okoline, bez obzira potječu li iz prirodnih izvora (poput oceanskih valova ili gravitacijskog djelovanja Mjeseca) ili ljudske djelatnosti (miniranja u rudnicima, promet…), te ih računalno isključuje s popisa događaja zanimljivih za znanost.
Tako se osjetljivost detektora LIGO povećala za čak jedan red veličine - deset puta! Slikovito: preciznost laserskoga snopa podignuta je na desetinu promjera protona!
Ukupni je trošak samo projektiranja, gradnje i unapređenja oba detektora bio šest milijardi dolara. Za usporedbu, akcelerator LHC u CERN-u i njegova četiri glavna detektora, koji su se gradili 20 godina, stajali su oko 20 milijardi dolara, a samo je gradnja svih članaka Međunarodne svemirske stanice kolaboraciju Amerikanaca, Rusa, Japanaca, Kanađana i Europljana stajala 100 milijardi dolara. Pri čemu za troškove ISS-a treba dodati još troškove transporta ljudi i opreme te njeno održavanje.
Kip Thorne je u povodu ovoga otkrića BBC-u izjavio da osnovni cilj detektora LIGO primarno nije bilo otkrivanje gravitacijskih valova, nego nastavak istraživanja svemira na posve novom području istraživanja gravitacijskih valova. U tome ima istine, jer je otrveno novo područje astronomije koje se oslanja na dosadašnja istraživanja u području vidljive svjetlosti (s infracrvenim i ultraljubičastim dijelovima spektra), radioteleskopiju i astronomiju koja se oslanja na izvore čestičnog svemirskog zračenja.
Nakon uspjeha odmah je aktiviran plan da se jedan LIGO detektor postavi u Indiji, koji će se također uključiti u mrežu u kojoj je u ovom uspjehu osim njemačkog detektora GEO600 bio ključan detektor Virgo pokraj Pise – s krakovima cijevi dugima tri kilometra – u Italiji kojega su utemeljili Francuska i Italija, a njihovoj su se kolaboraciji naknadno službeno priključili NIzozemska, Mađarska i Poljska. U Japanu se također gradi sličan detektor KAGRA.
BUDUĆNOST JE VEĆ POČELA!
I dok se, zbog razmjera svemira i veličine gravitacijskih valova detektori razmještaju širom svijeta pa uključuju u mrežu, pravi sljedeći korak u istraživanju mreškanja vremena i prostora koji treba donijeti nove i revolucionarne spoznaje mora biti svemirskih razmjera. Ta je budućnost, vjerovali ili ne, već počela. U četvrtak 3. prosinca prošle godine Europska je svemirska agencija lansirala je LISA Pathfinder. To je testna platforma za tehnologiju kojom će se u budućnosti još bolje pratiti događaji u astronomiji gravitacijskih valova. Sonda sobom nosi i laser, ali njen cilj nije njihovo registriranje. Moguće jest, ali nije cilj. Valja iskušati tehnologiju koja je zamišljena da eliminira sve ostale »šumove« koje bi detektori mogli uloviti, a koji bi mogli kvariti signale gravitacijskih valova.
Bit će takvih izviđačkih misija još prije nego se, prema današnjem voznom redu, 2034. godine lansiraju tri velika svemirska slova ”V” s laserima koji gađaju cijevi dviju drugih sonda! Kratica LISA je za Laser Interferometer Space Antenna, a bit će doista svemirskih razmjera. Europa od tog projekta nije odustala ni kad je SAD 2011. godine iz njega izašao. Interferometri će biti raspoređeni u velikom trokutu koji će oko Sunca orbitirati prateći otprilike Zemljinu putanju na udaljenosti od otprilike 50 milijuna kilometara. LISA-i će osjetljivost, kako zbog dužine krakova tako i zbog svemirskih uvjeta, biti neusporedivo bolja za preciznije mjerenje vrlo dugih gravitacijskih valova sa svih strana.
Netko će se pitati: čemu svi ti napori da bi se tek udovolji radoznalosti nekoliko tisuća zemaljskih vrhunskih fizičara? Čemu to, ako ljudi ni danas ne mogu ponoviti let na Mjesec iz šezdesetih godina prošloga stoljeća, a za to je bio više nego dovoljan stari dobri Isaac Newton? Pravi odgovor je da će se produbiti ukupno znanje o prirodi materije, prostora i vremena.
A valja nam naglasiti: bez Einsteinove Opće i Posebne teorije relativnosti ni danas ne bismo imali dovoljno preciznu satelitsku navigaciju! Kakve će biti praktične primjene stečenoga znanja danas ne možemo ni približno naslutiti!
