Gravitacijske valove zaznali že tretjič. Novo okno za gledanje vesolja odprto.

Nadgrajena opazovalnica Ligo
Aljoša Masten|03.06.2017 ob 15:49
Ljubljana - MMC RTV SLO
Računalniška ponazoritev združevanja dveh črnih lukenj. Ne vrtita se v isti smeri, kar je nenavadno in kar je Ligo našel v svežem primeru GW170104. To ima implikacije za teorije o nastanku takšnih parov. Poenostavljeno, kaže, da sta telesi nastali vsaka na svojem koncu in se naposled našli. Foto: LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet)

Znanstvenikom je že tretjič v dobrem letu uspelo zaznati gravitacijske valove, pojav, ki ga je človeštvo iskalo sto let. Tako dobivamo še en uporaben način gledanja vesolja.

Stvari po vesolju ne vohamo, ne slišimo, še manj tipamo. Lahko jih le vidimo. Za obstoj objektov zunaj Zemlje vemo le, če svetlobo oddajajo, jo odbijajo ali ukrivljajo njeno pot. Elektromagnetno valovanje je torej skorajda* naše edino okno v svet tam zunaj, izven območja domačega planeta. Potujoči fotoni so tisti, ki prinašajo informacije, z izjemo naše Lune, ki smo se je edine tudi dotaknili.

Tako je veljalo vse milijone let razvoja človeštva. Zdaj pa napredek tehnike in znanosti prinaša revolucijo v opazovanju vesolja. Poleg elektromagnetnega valovanja dobivamo še en uporaben način za zaznavo zelo, zelo oddaljenih zadev. In kar je še pomembno: zadev, ki jih sicer nikoli ne bi videli. To so težnostni valovi, ki v nasprotju s fotoni lahko dokaj nemoteno prečijo ogromne oblake prahu, plinov in druge ovire, ki svetlobo zastirajo.

Vse to se v zadnjem času dogaja precej hitro. Vsaj glede na to, da so težnostne valove iskali kar sto let. Njih obstoj so prvič dokazali šele lani, kar je bila velika prelomnica in zelo verjetna vaba za Nobelovo nagrado. Le goli obstoj pa ne koristi kaj veliko. Ti pojavi morajo biti dovolj pogosti, sicer kaj veliko informacij ne prinesejo, in treba je imeti dovolj napredno opazovalno tehniko, da iz njih znanost lahko nagrabi dragocenosti.

Kot kaže, gredo stvari v to smer. Lani je ameriški inštitut Ligo poročal o še enem tresenju prostora in časa ... in zdaj še o enem. Vse skupaj ni le sporadična sreča za opazovalce, temveč uporabna pogostost.

Spet združitev dveh črnih lukenj
Najnovejša zaznava je znova združitev dveh črnih lukenj v eno. Dogajanje, ki (po dozdajšnjih ugotovitvah znanstvenikov) ne oddaja elektromagnetnega valovanja in ga brez težnostnih valov nikoli ne bi zaznali. Združitev je Ligove senzorje vznemirila 4. januarja letos ob 8.11, sledilo je več mesecev analize. Izidi so objavljeni v znanstveni publikaciji Physical Review Letters. Signal se imenuje GW170104.

Izpuhteli dve Sonci
Spet gre za energijsko izjemno silen dogodek, piše v sporočilu za javnost. Ligo je "videl" dve črni luknji tri milijarde svetlobnih let stran. Prva je imela maso 32 Sonc, druga 19. Ujeti sta bili v kroženje druga okoli druge in divji ples med približevanjem vse bolj pospeševali. Naposled je prišlo do dotika in združitve. Dogodek je vzvaloval tkanino čas-prostor daleč naokoli.

V dveh desetinkah sekunde (vir: MIT) je nastala nova črna luknja z maso 49 Sonc. To pomeni, da je kar za dve Sonci mase v postopku izginilo. Za primerjavo: Sonce vsebuje kar 99 odstotkov vse mase Osončja. V tem dogodku sta torej hipoma "izpareli" kar dve Osončji ali, če prevedemo za naš planet: izginilo je za za 666 tisoč Zemelj! Kako kolosalne energije so se sprostile, priča tudi dejstvo, da se je v atomski bombi nad Hirošimo potrošil zgolj kilogram urana.

"Pri takšnih trčenjih se sprosti več energije, kot je v obliki svetlobe oddajajo vse zvezde in galaksije vesolja v katerem koli danem času," zatrjujejo v Ligu.

Izid sta zaznala dva zemeljska senzorja. To sta stavbi, vsaka na svojem koncu ZDA, oddaljeni tri tisoč kilometrov. Dogodek sta zaznali z nekaj milisekundnim zamikom. S tem sta neodvisno potrdili, da ni šlo za naključen šum, pa tudi nekoliko zožili položaj izvora.

Izračunali so lahko le približno smer, lokasto zaplato neba (desno v galeriji). Za točno določitev izvora bi potrebovali še eno stavbo, še en oddaljen detektor, ki bi omogočal izvedbo triangulacije. Za zdaj znanstvena skupnost upa, da bo to vlogo kmalu lahko opravljal italijanski detektor Virgo, sicer nekoliko manj zmogljiv, a za ta podatek ključen. Virgo se sicer trenutno po pisanju revije Nature spoprijema s tehničnimi težavami.

Video 1: Simulacija signala GW170104

Ni tako samoumevno
S tem Ligo ni zgolj videl nekega zlepljenja oddaljenih, črnih teles. Že v tretje je samostojno potrdil obstoj črnih lukenj samih. O njih znanost in mediji res običajno pišemo v trdilni obliki, a z najvišjo znanstveno verjetnostjo še niso bile potrjene. Nadalje je Ligo potrdil obstoj kategorije: srednje velikih črnih lukenj. Veliko manjših so že našli, z maso med šestimi in desetimi Sonci, pa kopico pošastnih z desetinami milijard mas. Vmesni prostor z nekaj ducatov pa je bil praktično nezaseden.

"Znova smo potrdili obstoj črnih teles z masami več kot 20 Sonc. Pred Ligom zanje sploh nismo vedeli," je izjavil David Shoemaker, predstavnik mednarodne kolaboracije LSC, združenja okoli 1.000 znanstvenikov, ki se prebija skozi množico podatkov. "Neverjetno, kako lahko ljudje sestavimo zgodbo in jo nato preizkusimo na tako nenavadnih, skrajnih dogodkih, ki so se zgodili pred milijardami let in tudi milijarde svetlobnih let stran od nas," je dodal.

Grabljenje drobcev informacij
Iz težnostnih valov se da razbrati marsikaj. Glede na njihovo energijo, amplitudo, smer itd. so precej natančno rekonstruirali sam dogodek v vseh treh primerih. A tokrat so šli še korak naprej in prigrabili novost. Dobili so drobce informacij o vrtenju obeh črnih lukenj.

Ko objekta izvajata spirali drug okoli drugega, se vrtita tudi vsak okoli lastne osi. Tako kot bi krožil par drsalcev, obenem pa bi se oba še vrtela. Črne luknje se lahko vrtijo v isti smeri kot poteka kroženje, lahko pa v nasprotni. Spremenljivka je tudi nagnjenost od orbitalne ravnine. Ligo ni mogel ničesar povedati o nagnjenosti, je pa zaznal, da bi se lahko ena črna luknja vrtela v nasprotni smeri od spirale.

Podatek je uporaben za tiste astrofizike, ki se ukvarjajo z modeli nastanka parov črnih lukenj. Dva sta prevladujoča. Po prvem se luknji "rodita" skupaj, iz dveh sosednjih zvezd, ki eksplodirata. Ker sta se izvorni zvezdi usklajeno vrteli, to velja tudi za "posmrtne ostanke".

Po drugem luknji nastaneta vsaka na svojem koncu, a se po nekem naključju srečata in gravitacijsko povežeta. V tem primeru je precej mogoče, da je njuno vrtenje neskladno glede na gibanje po tirnici. Sveži dogodek govori v prid temu modelu.

Video 2: Numerična simulacija dogodka
z zaznano maso in spinom

Einstein je imel spet prav
Obstoj težnostnih valov je dobrih sto let nazaj napovedal znani fizik Albert Einstein v znani teoriji splošne relativnosti. Prva Ligova zaznava mu je naposled dala prav.

Tretja je potrdila še njegovo napoved, in sicer prepoved disperzije za težnostne valove. Disperzija je učinek, ki denimo pri svetlobi ustvari mavrico. Fotoni skozi neki medij, npr. stekleno prizmo, potujejo z različno hitrostjo glede na njihovo valovno dolžino. Tudi težnostni valovi imajo valovno dolžino, a do razlike v hitrosti ne sme priti, je trdil nemški fizik. In Ligo tega tudi ni našel. "Kot kaže, je imel Einstein prav, kar smo ugotovili tudi pri najnovejšem dogodku, ki se je zgodil kar dvakrat dlje od naše prve zaznave. Našli nismo ničesar, kar bi skrenilo s poti splošne relativnosti, in pri povečani oddaljenosti lahko trditev postavljamo s še večjo zanesljivostjo," je izjavila Laura Cadonati, še ena predstavnica LSC-ja.

Prve zaznave
Kaj je Ligo do zdaj našel? Lansko odkritje februarja je vsebovalo črni luknji z maso 29 in 36 Sonc, dogodek pa je bil oddaljen 1,3 milijarde svetlobnih let. Trajal je le 0,2 sekunde.

Drugi dogodek je senzorje vznemiril decembra 2015, objava je sledila junija 2016. Takrat sta objekta merila 14,2 in 7,5 mase Sonca.

Ligo deluje že dolgo. Od leta 2002 do 2010 je šel skozi prvo fazo iskanja, a povsem brez uspeha. Septembra 2015 je konzorcij končal večjo nadgradnjo instrumentov, ki je - očitno - zadostovala.

Kaj sploh so gravitacijski valovi
Obstoj je postavljen v "tkanino" prostor-čas. To tkanino ukrivlja prisotnost mase. Če masa pospešuje, ukrivljenost prostora-časa ni več statična, temveč pospešek skoznjo pošlje valovanje. Ti valovi so pretanjeni in izjemno veliko mase jih mora povzročiti, da jih sploh lahko zaznamo.

To se navadno zgodi v binarnih sistemih, ko dve telesi krožita v paru okoli skupnega težnostnega središča, denimo dvojne črne luknje, binarne zvezde, lahko pa tudi nekatere nevtronske zvezde. Če se dve črni luknji približujeta druga drugi, pospešujeta svoje kroženje, in to je tisto, kar razpošlje motnje v prostoru-času daleč naokoli. Težnostno valovanje je povezano tudi z visokoenergijskimi dogodki, kot so eksplozije zvezd (supernove) - ali celo sam veliki pok.

Gravitacijski valovi, ki pri tem nastanejo, so kljub nepredstavljivo visokim oddanim energijam zelo, zelo šibki in majhni. Le kot primer: prostor med dva milijona kilometrov oddaljenima objektoma se skrči za milijoninko milijoninke metra. Tudi zato so jih desetletja neuspešno poskušali zaznati s površja Zemlje, saj je tudi planet sam moteč dejavnik.

Kako Ligo meri
Ligo je veliko lasersko ravnilo. Je kompleks, v katerem dva laserska žarka neprestano merita, ali tam štirje kilometri ves čas res merijo točno toliko - ali pa se morda razdalja zaradi spreminjanja prostora ne krajša ali daljša. V osnovi je to ogromna stavba, iz katere izvira laserski žarek. Ta se kmalu razdeli na dva kraka, pravokotna drug na drugega. Vsak krak je dolga, vakuumska cev. Na njenem koncu je ogledalo, ki žarek odbije nazaj v izvor. Žarka se torej po odbitju nazaj spet združita na začetku. Ker imata razdeljena žarka povsem enaki valovni dolžini, se ob ponovnem srečanju odštejeta oziroma "uničita". Če pa se prostor zaradi težnostnih valov v katerem izmed krakov skrči ali razširi, se ne odštejeta več, saj vrhovi in doline valov niso več povsem sinhronizirani. Pride do interference in signala, ki ga zazna detektor.

Težava je v tem, ker je postavljen na Zemlji, kjer mrgoli motenj, in zelo težko je zanesljivo zatrditi, da se je ta droben premik zgodil ravno zaradi gravitacijskih valov. Zato je Ligo obenem ena največjih vakuumskih komor na Zemlji (obe štirikilometrski cevi sta takšni), da laserske svetlobe ne bi zmotili naključne molekule plinov. Detektorji pa so postavljeni na kompleksen mehanizem, ki poskuša utišati še najbolj pretanjene seizmične motnje.

Esa nadaljuje iz vesolja
Medtem Evropska vesoljska agencija (Esa) že razvija tehnologijo prihodnosti, vesoljski observatorij za gravitacijske valove. Medtem ko se Ligo spopada z velikimi nevšečnostmi planeta (potresi, magnetizem, toplota), bo Esina eLisa v vesolju 1,5 milijona kilometrov stran od Zemlje, kjer vlada precej večja tišina. Zadeva je še precej v povojih, saj so februarja lani v nebo poslali prototip, malo sondo Lisa Pathfinder, ki služi zgolj kot pilotni projekt preizkusa, ali sploh gredo v pravo smer.

Za zdaj kaže zelo dobro. Lani poleti so z Ese sporočili, da je sonda za kar petkrat presegla pričakovanja. V osnovi je to veliko kovinsko ohišje, v katerem prosto lebdita dve kocki iz platine in zlata, Esa pa je morala doseči, da ohišje okoli njiju lebdi, ne da bi ju kakor koli motilo. To so dosegli. Projekt v polni sestavi, eLisa, pa predvideva dve sondi na oddaljenosti enega milijona kilometrov, ki bosta prav tako merili, ali se vmesna razdalja morda krči in razteza. V vesolje naj bi poletela čez dobro desetletje. Po dobrih novicah so se znova oglasili Američani, ki bi radi pristavili lonček - ki so ga bili davno tega odstavili. Tako bo morda Lisa sestavljena iz treh sond in polnozmogljiva res široko odprla nevizualno okno v vesolje.

* Nekaj informacij prinašajo tudi nevtrini in kozmični delci, je opozorila astrofizičarka Andreja Gomboc.

Video 3: Simulacija združitve glede na prejeti signal

Video 4: Primerjava sveže in prej zaznane združitve


Pri takšnih trčenjih se sprosti več energije, kot jo v obliki svetlobe oddajajo vse zvezde in galaksije vesolja v katerem koli danem času.

Ligo


Neverjetno, kako lahko ljudje sestavimo zgodbo in jo nato preizkusimo na tako nenavadnih, skrajnih dogodkih, ki so se zgodili pred milijardami let in tudi milijarde svetlobnih let stran od nas.

David Shoemaker, LSC


Ligo je zaznal združitev črnih lukenj z masama 32 in 19 Sonc. Novonastalo telo ima 49 mas Sonca. Manjkajoča masa se je pretvorila v težnostne valove. Foto: Ligo
Kompleks Ligo v Hanfordu, ZDA. Dobro sta vidna pravokotna, štirikilometrska kraka - kot ogromen geotrikotnik. V obeh sta vakuumski cevi za laserski žarek. Foto: LIGO
Črne luknje s potrjeno maso. Z vijoličasto so prikazane tiste, ki so jih našli s teleskopi v rentgenskih valovih. Kot je vidno, gre za manjše črne luknje z maso med šest in 16 mas Sonca. Prve črne luknje z maso več kot 20 in še kak ducat več Sonc pa je odkril prav Ligo (modri krogi). Foto: LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet)
Z dvema detektorjema lahko le določijo okvirno smer oziroma zaplato neba, kjer bi se lahko zaznani dogodek zgodil. Na tej ponazoritvi so trije potrjeni in en kandidat. Sveže zaznani je na vrhu. Foto: LIGO/Caltech/MIT/Leo Singer/Axel Mellinger
Tako pa bi bilo videti določanje izvora, če bi deloval še tretji detektor, italijanski Virgo. Ta sicer ni tako zmogljiv kot Ligov dvojček, a prispevek bi bil pomemben. Foto: LIGO/Caltech/MIT/Leo Singer/Axel Mellinger
Ponazoritev vpliva, ki ga na tkanino prostor-čas izvaja sila težnosti. Lisa pa ne išče tega statičnega vpliva, temveč valove, ki nastanejo, ko se masivno telo premika in pospešuje. Foto: ESA–C.Carreau
Notranjost kompleksa z vakuumskimi cevmi. Foto: LIGO
Laserski žarek v Ligu. Foto: LIGO
Lisa Pathfinder Evropske vesoljske agencije. Notranji merilni in stabilnostni mehanizem. Kocki bosta, če bo šlo vse po Esinem načrtu, le prosto lebdeli v obeh komorah. Foto: Esa

Znanost in tehnologija