Пре више од милијарду година, у некој далекој галаксији, две црне рупе извршиле су последње кораке у брзом пасу де деук, завршавајући коначним загрљајем који је тако силовит да ослобађа више енергије од комбинованог излаза сваке звезде у свака галаксија у посматраном универзуму. Ипак, за разлику од звездине светлости, енергија је била тамна, носећи је невидљивом силом гравитације. 14. септембра 2015. у 5:51 сати по источном дневном времену, фрагмент те енергије, у облику „гравитационог таласа“, стигао је до Земље, сведен својим огромним транзитом кроз простор и време на само шапат громогласне грмљавине почетак
Повезана читања
Елегантни универзум
КупиКолико знамо, Земља се раније окупала у овој врсти гравитационих поремећаја. Често. Разлика је у томе што су два запањујуће прецизна детектора, један у Ливингстону, Лоуисиани и други у Ханфорду у Васхингтону, били у приправности. Када је гравитациони талас налетео, откуцавао је детекторе, пружајући непогрешив потпис сударајући се црних рупа на другој страни свемира и означавајући почетак новог поглавља у истраживању космоса од стране човечанства.
Када су гласине о открићу почеле да круже у јануару, преврнуо сам очима на оно што је очигледно било лажни аларм или заверу да се мало узбуди. Као истраживачки програм већ у петој деценији, лов на гравитационе таласе одавно је постао главно откриће које је увек лебдело на хоризонту. Физичари су постали резигнирани да чекају свој гравитациони Годот.
Али, људска домишљатост и упорност су победили. То је једна од оних победа које дају чак и онима од нас који навијају из бока како трзају краљежнице.
Ево приче, укратко.
Прошлог новембра свет је прославио стогодишњицу Еинстеиновог највећег открића, опште теорије релативности, која је открила нову парадигму за разумевање гравитације. Исаац Невтон приступ правилно предвиђа гравитацијску привлачност између било која два објекта, али не даје увид у то како нешто овде може допријети преко празног простора и повући се тамо нечим . Ајнштајн је провео деценију покушавајући да утврди како се гравитација преноси, и на крају је закључио да простор и време чине невидљиву руку која врши гравитацију.
Претплатите се на часопис Смитхсониан за само 12 долара
Ова прича је избор из априлског броја магазина Смитхсониан
КупиМетафора избора, преувеличана, али евокативна, јесте мислити о простору као трамполину. Поставите куглу за куглање у средину трамполина због чега ће се савити, а мермер ће бити гурнут да путује закривљеном путањом. Слично томе, Ајнштајн је признао да се у близини астрономског тела попут Сунца криве просторно-временске средине, што објашњава зашто Земља, баш попут мермера, следи закривљену путању. До 1919. године астрономска запажања потврдила су ову изванредну визију и учинила Ајнштајна Ајнштајном.
Ајнштајн је гурнуо своје важно откриће даље. До тог тренутка, он се фокусирао на статичке ситуације: одређивање фиксног облика региона просторног времена који произлази из дате количине материје. Али Ајнштајн се тада окренуо динамичним ситуацијама: Шта би се догодило са тканином свемирског времена ако би се материја померала и тресла? Схватио је да онолико колико деца која скачу на трамполину стварају таласе у површини који вале споља, материју која се креће овим путем и која ће створити таласе у тканини свемирског времена који се такодер таложе споља. А пошто је, према општој релативности, закривљени простор време гравитација, талас закривљеног свемирског времена је талас гравитације.
Гравитациони таласи представљају најзначајнији одмак генералне релативности од Њутонове гравитације. Флексибилно свемирско време је сигурно дубока преинака гравитације, али у познатим контекстима попут гравитационог повлачења Сунца или Земље, Еинстеинова предвиђања једва се разликују од Невтонових. Међутим, пошто Невтонова гравитација ћути у вези са преносом гравитације, појам путујућих гравитационих поремећаја нема места у Њутоновој теорији.
И сам Ајнштајн је сумњао у своје предвиђање гравитационих таласа. Када се први пут сусрећемо са суптилним једначинама опште релативности, изазовно је раздвојити апстрактну математику од мерљиве физике. Ајнштајн је био први који се укључио у ту гужву, а било је и карактеристика које чак ни он, циносура релативности, није успео у потпуности да разуме. Али до шездесетих година прошлог века, научници који су користили више рафиниране математичке методе утврдили су несумњиво да су гравитациони таласи одликују општу теорију релативности.
Илустрација гравитационих таласа (Јохн Херсеи) Како би се онда могло тестирати ово иконично предвиђање? 1974. године помоћу радио телескопа Арецибо, Јосепх Таилор и Русселл Хулсе открили су бинарни пулсар: две орбите звезда неутрона чије се орбитално раздобље могло пратити с великом прецизношћу. Према општој релативности, звезде у орбити стварају стални марш гравитационих таласа који испуштају енергију, узрокујући да се звезде брже зближавају и орбитирају. Посматрања су потврдила ову прогнозу за Т, пружајући доказе, иако индиректне, да су гравитациони таласи стварни. Хулсе и Таилор добили су Нобелову награду 1993.
Ово постигнуће учинило је директно привлачење гравитационих таласа још привлачнијим. Али задатак је био застрашујући. Прорачуни показују да ће, као што гравитациони талас вапи кроз простор, било шта на његовом путу бити алтернативно испружено и истиснуто дуж осе окомито на правац кретања таласа. Гравитациони талас упућен равно према Сједињеним Државама наизменично би се протезао и стезао простор између Њујорка и Калифорније, и тог између Тексаса и Северне Дакоте. Прецизним надгледањем таквих растојања требали бисмо бити у стању да прецизирамо прелазак таласа.
Изазов је у томе што онолико колико се вала у базену умире како се шири, тако и гравитациона пукотина разблажава док путује од извора. Будући да се највећи космички судари обично дешавају врло далеко од нас (на срећу), у време када гравитациони валови дођу до Земље, количина истезања и стискања која узрокују је мала - мања од атомског пречника. Откривање таквих промена је упоредно са мерењем удаљености од Земље до најближе звезде изван Сунчевог система са тачношћу бољом од дебљине листа папира.
Први покушај, који је 1960. године покренуо Јосепх Вебер са Универзитета у Мериленду, користио је више тонске чврсте алуминијумске цилиндре, у нади да ће они благо одзвањати попут џиновских виљушки као одговор на пролазни гравитациони талас. До раних 1970-их, Вебер је захтевао успех, велико време. Извештавао је да гравитациони таласи звоне његовом детектору готово свакодневно. Ово значајно достигнуће надахнуло је друге да потврде Веберове тврдње, али након година покушаја, нико није могао да ухвати ни један талас.
Веберово непопустљиво вјеровање у његове резултате, дуго након што су прикупљени докази сугерисали другачије, допринијели су перспективи која је поље обогатила деценијама. Током година, многи научници су веровали, као и Ајнштајн, да ће чак и да гравитациони таласи буду стварни, једноставно бити преслаби да би их икада могли открити. Они који су кренули да их пронађу били су у заблуди, а они који су веровали да се тврдње о откривању преваре.
До 1970-их, мало ко је још имао бубрег гравитационог таласа претворио се у обећавајућу шему детекције у којој ће се употребљавати ласери за упоређивање дужина два дугачка идентична тунела, оријентисана један до другог за 90 степени. Пролазни гравитациони талас протегнуо би један тунел, док би истиснуо други, мало промијенио удаљеност коју су прелазили ласерски зраци пуштени дуж сваког. Када се две ласерске зраке накнадно комбинују, резултирајући образац који светлост формира је осетљив на минутне разлике у томе колико је свака зрака прошла. Ако се гравитациони талас откотрља, чак би и најмањи поремећаји који стварају оставили модификовани ласерски узорак.
Лепа идеја. Али оближњи ударни чекићи, тутњава камиона, удари ветра или падање дрвећа могли би пореметити такав експеримент. Када тражите разлике у дужини мањој од милијарду милијардитих метара метра, могућност заштите апарата од сваког могућег узнемиравања околине, ма колико незнатна, постаје најважнија. Уз тај наизглед непремостиви захтев, најајзерима је обезбеђено још муниције. Ако ухвати гравитациони талас, Хортон би учинио да чује Вхо, па чак и преко звецкања звука метроа у Нев Иорку, пуке дјечије игре.
Ипак, амерички физичари Кип Тхорне и Раинер Веисс, којима се касније придружио шкотски физичар Роналд Древер, сањали су о изградњи ласерског детектора гравитационог таласа и покренули су точкове како би тај сан остварили.
2002. године, након неколико деценија истраживања и развоја и више од 250 милиона долара улагања Националне научне фондације, два научна и технолошка чуда која чине ЛИГО (Ласер Интерферометер Гравитацијско-таласна опсерваторија) постављена су у Ливингстону, Лоуисиана и Ханфорд, Васхингтон. У евакуираним тунелима дужине четири километра у облику џиновског слова „Л“ налазио би се ласерски зрак око 50 000 пута снажнији од стандардног ласерског показивача. Ласерско светло би одскакало напријед-назад између глатких огледала на свету, постављених на супротним крајевима сваке руке, тражећи ситно неусклађеност у времену које је потребно сваком да заврши пут.
Истраживачи су чекали. И чекали. Али после осам година, ништа. Разочарање, наравно, али како су тврдили истраживачки тимови, није изненађујуће. Прорачуни су показали да је ЛИГО једва на прагу осетљивости који је неопходан за откривање гравитационих таласа. Тако је у 2010. години ЛИГО затворен због различитих надоградњи, у износу већем од 200 милиона долара, а у јесен 2015. године укључен је побољшани ЛИГО, многоструко осетљивији. Шокантно, мање од два дана касније, изненадна дрхтавица погодила је детектор у Лоуисиани, а седам милисекунди касније детектор у Васхингтону се трзао на готово потпуно исти начин. Образац деликатних вибрација подударио се са рачунарским симулацијама предвиђеним за гравитационе таласе које би произвела коначна грла орбите црних рупа које се сруше заједно.
Мој пријатељ изнутра, заклео се на тајност, али спреман да пружи не баш суптилан наговештај, рекао ми је: „Замислите само да се наш најдуљи сан оствари.“ Али то је било ово ударање гравитационог таласа-џекпота што је истраживачима направило паузу. Било је то готово прекомерно.
ЛИГО апарат зависи од прецизно израђених - и савршено чистих - огледала. (Матт Хеинтзе / Цалтецх / МИТ / ЛИГО Лаб) Уз неколико месеци интензивног, марљивог напора да се пажљиво истраже сва остала објашњења, колико год била невероватна, остао је само један закључак. Сигнал је био стваран. Век након што је Ајнштајн предвидио њихово постојање, прво директно откривање гравитационих таласа прославило је више од 1.000 научника који су радили на експерименту ЛИГО. Ухватили су моментално мрмљање гравитацијског цунамија ослободјеног пре више од милијарду година, остатак тамног спајања негде на дубоком јужном небу.
Званична најава за штампу, 11. фебруара, у Васхингтону, ДЦ, била је електрична. На мојој институцији, Универзитету Цолумбиа, морали смо да преместимо ток поступка у једно од највећих места у кампусу, и сличне приче одигране на универзитетима широм света. На тренутак су гравитациони таласи трули предсједничку прогнозу.
Узбуђење је било оправдано. Историја ће се осврнути на откриће као на једну од тих неколико тачака савијања која мења ток науке. Још од првог изгледа човека према небу, ми смо истраживали свемир помоћу таласа светлости. Телескоп је значајно побољшао ову способност, а ми смо с њим наишли на сјај нових космичких пејзажа. Током 20. века, проширили смо врсте светлосних сигнала које детектујемо - инфрацрвени, радио, ултраљубичасти, гама и рендген зраци - сви облици светлости, али са таласним дужинама изван распона који можемо видети голим оком. А помоћу ових нових сонди, космички пејзаж је још постајао све богатији.
Гравитациони таласи су потпуно другачија врста космичке сонде, која има потенцијал за још драматичније последице. Светло се може блокирати. Непрозиран материјал, попут прозора, може блокирати видљиву светлост. Метални кавез може блокирати радио таласе. Супротно томе, гравитација пролази кроз све, практично непромењено.
И тако, с гравитацијским таласима као нашом сондом моћи ћемо да испитамо краљевине које су изван граница светлости, попут хаотичне свампе у просторном времену док се сударају две црне рупе или можда дивљи звук самог великог праска, пре 13, 8 милијарди година. Већ је опажање потврдило идеју да црне рупе могу формирати бинарне парове. Још више мука, можда ћемо пронаћи мрачни пејзаж препун ствари које још нисмо ни замислили.
Пошто мрежа детектора широм света - у Италији, Немачкој, ускоро Јапану и вероватно Индији - обједињује своје податке, надамо се да ће их у будућности придружити огроман детектор који делује у свемиру, наша способност да истражимо космос понијет ће још један огроман скок напред. Што је крајње узбудљиво. Нема ништа надахњујуће од нашег капацитета, усред наших стално присутних земаљских борби, да гледамо увис, да се питамо и да измислимо домишљатост и посвећеност да видимо мало даље.
**********
