SLUŽBENO je potvrđeno - znanstvenici su pomoću "uređaja" galaktičkih razmjera otkrili "najtraženiji zvuk u svemiru" - pozadinsku gravitacijsku tutnjavu koja se širi svemirom i potresa galaksije, zvijezde i signale koji njime putuju.
Otkriće brojnih znanstvenika iz brojnih timova
Znanstveni timovi iz SAD-a, Europe, Australije i Indije objavili su rezultate svojih višegodišnjih istraživanja na tu temu u nekoliko znanstvenih radova u nekoliko znanstvenih časopisa. U istraživanju je sudjelovalo 100-tinjak znanstvenika iz 12 zemalja.
"Posljednjih 15 godina radimo na misiji potrage za niskofrekventnim šumom gravitacijskih valova koji odzvanja svemirom i prolazi kroz našu galaksiju, izobličujući prostor-vrijeme na mjerljiv način", rekao je na tiskovnoj konferenciji predsjednik američkog NANOGrav tima, astrofizičar Stephen Taylor sa sveučilišta Vanderbilt.
"Jako smo sretni što možemo objaviti da su naš trud i rad urodili plodom i da imamo uzbudljive dokaze o ovom pozadinskom šumu gravitacijskih valova", dodao je.
Budući da smo o najavi ovog otkrića podrobno pisali jučer, u ovom tekstu se nećemo baviti sustavnim tumačenjem ključnih pojmova važnih za njegovo razumijevanje, već više detaljima otkrića. Ako vas zanimaju tumačenja što su gravitacijski valovi, kako su otkriveni, što je inflacija, što je kozmičko mikrovalno pozadinsko zračenje i sl., možete ih pronaći ovdje.
>>Očekuje se objava golemog otkrića ključnog za razumijevanje nastanka svemira.
U ovom tekstu o njima ćemo samo kratko.
Što su gravitacijski valovi?
Gravitacijski valovi su poremećaji u gravitacijskom polju koji naizmjenično sabijaju i rastežu prostor-vrijeme kroz koji prolaze i sve u njemu, a šire se slično kao što se valovi vode ili zvuka šire vodom, odnosno zrakom. Formiraju se prilikom ubrzavanja masa, osobito golemih, primjerice u eksplozijama supernova, tijekom kruženja zvijezda jednih oko drugih na malim udaljenostima u dvojnim zvjezdanim sustavima, u sudarima crnih rupa i sl. Oni su također mogli nastati u velikom prasku i u kozmičkoj inflaciji, brzom širenju svemira koje je uslijedilo neposredno nakon velikog praska.
Gravitacijski valovi putuju brzinom svjetlosti.
Stoljeće od predviđanja do potvrde
Postojanje gravitacijskih valova prvi je predvidio Albert Einstein 1916. godine na temelju svoje opće teorije relativnosti.
No, trebalo je cijelo stoljeće razvoja tehnologije da konačno 2015. budu potvrđeni u velikim uređajima LIGO i Virgo koji su dovoljno osjetljivi da mogu detektirati njihove slabašne efekte. Za ovo je otkriće 2017. dodijeljena Nobelova nagrada, a ono je omogućilo sasvim novu vrstu istraživanja svemira - astronomiju gravitacijskih valova. Do danas je registrirano 100-tinjak događaja koji su odaslali gravitacijske valove.
Prozor u najraniji svemir
Astronomija gravitacijskih valova može nam dati uvide u zbivanja koja ne možemo zabilježiti u obliku elektromagnetskih valova. Među ostalim, ona bi nam mogla otkriti što se zbivalo neposredno nakon velikog praska. Trenutno to ne možemo znati jer je svemir nekih 380.000 godina nakon velikog praska bio previše ioniziran i pregust da bi se elektromagnetski valovi mogli širiti njime. No, neprozirnost svemira za elektromagnetske valove nije problem za gravitacijske.
Galaksija kao detektor
U novim istraživanjima navedeni su timovi neovisno otkrili tragove tzv. pozadinskog šuma gravitacijskih valova. Odakle dolaze ti valovi? Iako nova istraživanja nisu dala definitivan odgovor na ovo pitanje, glavna pretpostavka je da su ih emitirali binarni sustavi supermasivnih crnih rupa.
Znanstvenici već duže vrijeme pretpostavljaju da oni postoje u nekim galaksijama. Oni su mogli nastati na više načina, no prije svega stapanjem dviju galaksija koje su u svojim središtima imale supermasivne crne rupe. Kada se supermasivne crne rupe nađu u binarnom sustavu, one se međusobno okreću jedna oko druge i odašilju gravitacijske valove.
Emitirajući gravitacijske valove sustavi gube energiju te se crne rupe sve više približavaju i na kraju spajaju u jednu još veću crnu rupu. Ovo spajanje može proizvesti jake gravitacijske valove koji se mogu promatrati postojećim detektorima na Zemlji.
Valovi posebno dugih valnih duljina
Kako smo već naveli, srazovi crnih rupa zabilježeni su mnogo puta u uređajima LIGO i Virgo. Ti uređaji, čiji su krakovi dugi četiri kilometra, bili su dovoljno osjetljivi za otkrivanje efekta gravitacijskih valova čija se valna duljina mjeri u tisućama kilometara. No, nisu dovoljno osjetljivi za otkrivanje druge vrste gravitacijskih valova mnogo većih valnih duljina koje stvaraju supermasivne crne rupe kruženjem jedna oko druge, a koje se mjere u svjetlosnim godinama.
Da bi registrirao takve valne duljine, detektor bi morao imati krakove koji se protežu gotovo polovicom galaksije.
Stoga su znanstvenici odlučili samu galaksiju pretvoriti u vrstu detektora. To su učinili tako što su iskoristili skupine pulsara koji postoje u Mliječnom putu.
Što su pulsari?
Pulsari su ostaci nekadašnjih masivnih zvijezda koje su umrle u spektakularnim supernovama, ostavljajući za sobom samo guste jezgre sastavljene od neutrona. Svaki pulsar je malen, otprilike veličine grada, no rotira se stotinama puta u sekundi.
Svojim jakim magnetskim poljima i brzom rotacijom oni stvaraju snažne elektromagnetske snopove. Magnetna polja pulsara koncentrirana su u polovima zvijezde, a ta mjesta se nazivaju magnetnim jamama. Rotacija pulsara uzrokuje da magnetna jama mijenja svoj položaj u odnosu na Zemlju, što rezultira kretanjem snopa svjetlosti prema i od Zemlje. Ovi pulsevi zbivaju se u toliko preciznim, kratkim intervalima da mogu poslužiti za različita mjerenja.
Tu sad u igru ulaze gravitacijski valovi. Naime, rastezanje i stiskanje prostor-vremena kroz koje prolaze pulsevi pulsara teoretski bi trebalo stvarati male nepravilnosti u vremenskim intervalima u kojima oni dolaze do nas na Zemlji. Ako gravitacijski val malo skrati ili produži prostor-vrijeme kroz koji prolazi signal pulsara, na Zemlji će se moći zabilježiti mali poremećaj u njegovu dolasku.
"Hakiranje" galaksije
No poremećaj zabilježen u signalu jednog pulsara nije dovoljan da bi se nedvojbeno moglo utvrditi da je on posljedica utjecaja gravitacijskih valova. Za to je potrebno da isti efekt pokazuje veća skupina pulsara.
Znanstvenici su već pronašli neke naznake zapisa gravitacijskog pozadinskog šuma u bljeskovima skupova pulsara, no do nedavno nije bilo dovoljno podataka da bi se moglo reći je li u pitanju slučaj, odnosno greška.
"Morali smo 'hakirati' galaksiju", rekao je Jeff Hazboun, član NANOGrav tima koji ima gotovo 100 članova iz SAD-a, Kanade i dvanaest drugih zemalja, pa dodao: "To je jedna od najuzbudljivijih stvari kod ovog projekta za mene."
U najnovijoj analizi, koja je objavljena u cijeloj seriji radova u časopisu The Astrophysical Journal Letters i drugim časopisima, znanstvenici su proučavali podatke sa 70-ak pulsara.
"Ako puls malo kasni ili malo žuri, to se može pripisati prolasku gravitacijskog vala", rekao je Hazboun, objašnjavajući da gravitacijski val rasteže ili komprimira prostor-vrijeme, mijenjajući udaljenost koju puls mora prevaliti da bi stigao do Zemlje.
Svemir podrhtava poput golemog želea
Uzorak odstupanja od očekivanih vremena dolaska snopova pulsara sugerira da prostor-vrijeme pod udarom gravitacijskih valova podrhtava kao golema želatina.
"Jako je teško utvrditi dolaze li valovi iz jednog određenog smjera", kaže Hazboun.
Umjesto da vide jedan val kako dolazi, kako bi ga vidjela osoba koja stoji na plaži i gleda u more, Hazboun tumači da zabilježeni signali više podsjećaju na iskustvo plivanja u nemirnom oceanu.
Istraživači još ne znaju što stvara te valove, međutim rezultati se podudaraju s predviđanjima o efektu kruženja supermasivnih crnih rupa.
No izvor zabilježenih signala mogao bi biti nešto još neobičnije - mogućnosti se kreću od kozmičkih niti koje su mogle nastati na kraju velikog praska, preko tamne tvari, do prapovijesnih crnih rupa koje su se formirale nedugo nakon Velikog praska ili kozmičke inflacije.
Otkriće je vrlo pouzdano, ali još nije 100%
Objavljeni rezultati još se ne mogu smatrati konačnim otkrićem pozadinskog gravitacijskog šuma, međutim, postoji šansa veća od 99% da je riječ o stvarnom fenomenu. NANOGravov signal ima razinu pouzdanosti od 4 sigme (ili 99,349%), a temelji se na 67 pulsara.
Signal uređaja PPTA ima nižu razinu pouzdanosti jer je u njemu proučavano manje pulsara. Njegova detekcija temelji se na samo 30 zvijezda, no signali su prikupljani tijekom duljeg razdoblja. Zlatni standard za otkriće koje se može smatrati potvrđenim je 5 sigma. To znači da će znanstvenici morati obaviti još dosta posla. No već sada imaju puno materijala prikupljenih tijekom više godina pa to i ne bi trebalo biti previše teško. Trebat će vremena, rada i strpljenja.
***
Novu knjigu Indexovog znanstvenog novinara Nenada Jarića Dauenhauera, koja tematizira najkontroverznije i najzanimljivije teme u znanosti poput klimatskih promjena, pseudoznanosti, pandemije, GMO-a i nuklearki, možete nabaviti ovdje.
Knjiga se sastoji od tekstova našeg novinara objavljenih kroz više godina rada na Indexu.
Objavljuje Index Vijesti u Subota, 5. studenoga 2022.