PO ZNANSTVENIM stranicama i društvenim mrežama na internetu šire se najave da bi u četvrtak trebala biti objavljena vijest o velikom otkriću povezanom s gravitacijskim valovima.

Prema napisima vjerojatno je riječ o otkriću zapisa inflacije, odnosno naglog širenja svemira koje se dogodilo na samom početku vremena i prostora, odmah nakon velikog praska. Taj zapis mogao bi biti zabilježen u obliku šuma gravitacijskih valova.

Ovo otkriće, ako bude potvrđeno, otvorit će vrata za istraživanje prvih trenutaka u razvoju svemira. Trenutno najraniji izravni kozmološki uvidi koje imamo potječu iz razdoblja kada je svemir bio star oko 380.000 godina. Prije toga svemir je bio neproziran za elektromagnetske valove.

Za bolje razumijevanje značaja najavljenog otkrića, potrebno je prvo pojasniti nekoliko ključnih pojmova.

Što su gravitacijski valovi?

Gravitacijski valovi su poremećaji u gravitacijskom polju koji naizmjenično sabijaju i rastežu prostor-vrijeme kroz koji prolaze i šire se slično kao što se valovi zvuka šire 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.

Njihovo postojanje prvi je predvidio Albert Einstein 1916. godine na temelju svoje opće teorije relativnosti.

No zanimljivo je da Einstein nije vjerovao da će oni ikada biti zabilježeni zato što nije mogao zamisliti da će ikada biti moguće izgraditi instrument dovoljno osjetljiv za registriranje njihovih slabih efekata

Kako su gravitacijski valovi otkriveni?

Prve gravitacijske valove zabilježio je 2015. LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), veliki eksperiment izgrađen u SAD-u. U otkriću su sudjelovali brojni znanstvenici iz cijelog svijeta, među kojima i stručnjaci sličnog europskog eksperimenta Virgo.

LIGO se sastoji od dva identična interferometra smještena u različitim regijama SAD-a - jedan se nalazi u Hanfordu u Washingtonu, a drugi u Livingstonu u Louisiani. Svaki interferometar sastoji se od dva okomita kraka duga četiri kilometra koji tvore oblik slova "L". Laserska zraka koja se stvara za potrebe detekcije u njima dijeli se na polureflektirajućem zrcalu i šalje niz svaki krak. Snopovi se reflektiraju nazad na ogledalima postavljenim na njihovim krajevima (grafika dolje).

U crnoj točki dolje nalazi se detektor koji otkriva postoje li promjene u uzorku laserskog svjetla.

Kada gravitacijski val prolazi kroz Zemlju, on uzrokuje maleno rastezanje i stezanje prostor-vremena, što utječe na duljinu krakova interferometra. Ova promjena duljine krakova mijenja način na koji laserske zrake međusobno interferiraju što pak omogućuje detekciju prolaska gravitacijskih valova.

Primjerice, ako su prije dolaska gravitacijskih valova zrake lasera bile podešene tako da se nakon prolaska dvama tunelima i reflektiranja nazad u početnu točku interferencijom međusobno poništavaju, malo produženje jednog kraka i istovremeno skupljanje drugog, okomitog, pod utjecajem gravitacijskih valova poremetit će početno stanje i učiniti da se pojave bljeskovi svjetla. Interferencija je sraz dvaju valova koji može pojačati, smanjiti ili poništiti valove, baš kao što se to zbiva u srazovima morskih valova – kad se sretnu brijeg i dol, val nestaje, a kada se sretnu brijeg i brijeg, val se pojačava.

Prvi gravitacijski valovi koje je otkrio LIGO nastali su spajanjem dviju crnih rupa udaljenih oko 1.3 milijarde svjetlosnih godina. Ovo revolucionarno otkriće potvrdilo je postojanje gravitacijskih valova i otvorilo novo područje astronomije nazvano astronomija gravitacijskih valova. Ono je također prvi put izravno potvrdilo postojanje crnih rupa.

Za to otkriće 2017. godine dodijeljena je Nobleova nagrada koju su podijelili fizičari Rainer Weiss, Barry C. Barish i Kip S. Thorne.

Kozmičko mikrovalno pozadinsko zračenje

Za razumijevanje ranog razdoblja svemira vrlo je važno bilo otkriće kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja (CMBR).

CMBR je slabo elektromagnetsko zračenje koje prožima cijeli svemir. Smatra se jednim od najvažnijih argumenata u prilog teoriji prema kojoj je svemir nastao u velikom prasku.

Sastoji se od mikrovalova, fotona relativno velike duljine, a niske energije. Ti su fotoni emitirani kada je svemir bio star samo 380.000 godina, u periodu kada se svemir dovoljno ohladio da se u njemu formiraju atomi. Prije toga bio je previše vruć i gust da bi svjetlost njime mogla slobodno putovati. Fotoni su prije toga bili zarobljeni u plazmi nabijenih čestica koja je ispunjavala svemir.

Kako se svemir širio i hladio, elektroni su se pridruživali protonima i neutronima i formirali atome. Ionska plazma se rekombinirala u neutralne atome tako da su fotoni mogli početi nesmetano putovati. CMBR je također poznat kao "posljednja površina raspršenja". Zračenje s ove površine od tada putuje svemirom, a budući da se svemir širio, ono je zajedno s njime povučeno u sve dijelove svemira i rastegnuto do nižih frekvencija, što znači da je pomaknuto u smjeru crvenog dijela spektra.

Kozmičko mikrovalno pozadinsko zračenje očituje se kao gotovo jednoličan sjaj s vrlo malim temperaturnim varijacijama. Ove fluktuacije predstavljaju male varijacije gustoće tvari i energije u ranom svemiru, koje su s vremenom postale sjemenom za formiranje galaksija i drugih kozmičkih struktura – gušća područja počela su gravitacijom privlačiti okolnu materiju.

CMBR je otkriven 1965. godine, a fizičari Arno Penzias i Robert Wilson za to su otkriće dobili Nobelovu nagradu 1978.

Što je inflacija svemira?

Teorija inflacije jedan je od glavnih dodataka teoriji velikog praska kojom se nastoji objasniti nastanak svemira. Prema njoj, svemir je prošao kroz fazu intenzivnog širenja u vrlo kratkom vremenskom razdoblju od oko 10^-32 do 10^-36 sekundi nakon velikog praska. U tom vremenu zapremina veličine atoma narasla je do veličine grejpa (grafika dolje).

Iako još uvijek postoji mnogo detalja koje ne znamo o inflaciji, taj koncept pomaže objasniti neke ključne karakteristike svemira koje danas opažamo:

Ravnoteža: Inflacija omogućava ravnotežu i homogenost svemira na velikim mjerilima. Tijekom inflacije, male fluktuacije u energiji i gustoći postale su ravnomjerno raspoređene, što objašnjava zašto svemir izgleda relativno isto u svim smjerovima.

Problem horizonta: Inflacija rješava tzv. problem horizonta koji se odnosi na činjenicu da neke dijelove svemira danas ne možemo vidjeti zbog ograničenja brzine svjetlosti. Tijekom inflacije, ti dijelovi svemira nalazi su se u blizini i bili su povezani u interakcijama da bi se potom ubrzanim širenjem odvojili i nestali izvan horizonta vidljivog svemira. To objašnjava zašto su različiti dijelovi svemira međusobno slični i fino ugođeni umjesto da se značajno razlikuju.

Glatkost: Inflacija također objašnjava iznimnu glatkost u raspodjeli tvari i energije u svemiru. Ta glatkost vidljiva je u mikrovalnom pozadinskom zračenju svemira i drugim opažanjima.

Otkrivanje pozadinskog gravitacijskog šuma

Kako smo već naveli, gravitacijski valovi mogu nastati u različitim izvorima u kojima postoji neko kretanje velikih masa poput crnih rupa ili binarnih zvijezda.

Znanstvenici procjenjuju da se u svemiru sraz dviju crnih rupa događa s učestalošću koja se kreće od jednog u minuti do nekoliko na sat. Njihovi signali vrlo su kratki – traju samo djelić sekunde.

Mnogi tako stvoreni valovi mogli bi biti previše slabog intenziteta da bi se mogli pojedinačno otkrivati. Oni bi se mogli stopiti u gravitacijsku pozadinsku buku nalik na pucketanje kokica ili pak u jednoličan "stohastički" šum koji se naziva gravitacijskom pozadinom. Taj šum jedan je od najtraženijih fenomena u astronomiji gravitacijskih valova.

No gravitacijski valovi također su mogli nastati u inflaciji svemira.

Instrumenti LIGO, Virgo i KAGRA, koji je pokrenut u ožujku ove godine u Japanu, možda bi mogli registrirati nešto od tih pozadinskih gravitacijskih valova.

Njima bi se kroz 15 godina trebao pridružiti još i eksperiment, Svemirska laserska interferometrijska antena (LISA), koja će biti lansirana 2037. godine.

LISA se temelji na istoj tehnologiji kao LIGO i Virgo, no njezini krakovi će se prostirati u svemiru na duljini od 2.5 milijuna kilometara. LISA će raditi na mnogo nižim frekvencijama od LIGO-a i Virgoa tako da će moći otkrivati različite vrste gravitacijskih valnih događaja koje oni ne mogu.

LISA bi teoretski mogla otkriti kozmološke izvore gravitacijske valne pozadine, poput inflacije ili kozmičkih struna - teoretskih pukotina koje su se mogle formirati u svemiru na kraju inflacije, a mogle su gubiti energiju u obliku gravitacijskih valova.

Svemirski interferometar

No navedeni eksperimenti nisu jedini načini registriranja gravitacijskih valova.

Postoji jedan prirodan opservatorij gravitacijskih valova galaktičkih razmjera koji su znanstvenici proučavali u potrazi za naznakama gravitacijske valne pozadine, a čine ga skupovi pulsara. Pulsari su ostaci nekadašnjih masivnih zvijezda koje su umrle u spektakularnim supernovama, ostavljajući za sobom samo guste jezgre sastavljene od neutrona.

Elektromagnetski snopovi u pulsarima nastaju zbog brze rotacije tih zvijezda i prisutnosti jakih magnetskih polja. Kada se pulsar okreće, magnetsko polje zvijezde usmjereno je prema vani i stvara uski snop elektromagnetskog zračenja.

Magnetno polje pulsara ima jaku koncentraciju na polovima zvijezde, koja se naziva magnetna jama. Rotacija zvijezde uzrokuje da magnetna jama mijenja svoj položaj u odnosu na Zemlju, a to rezultira kretanjem snopa svjetlosti prema i od Zemlje. Neki od njih to čine u iznimno preciznim intervalima.

Tu sad u igru ulaze gravitacijski valovi. Naime, rastezanje i stiskanje prostor-vremena teoretski bi trebalo stvarati male nepravilnosti u vremenskim intervalima u kojima nas zabljeskuju pulsari.

Važno je istaknuti da nam jedan pulsar kod kojeg bi bilo zabilježeno blago neslaganje u vremenskom podudaranju pulsa ne bi mogao reći mnogo. No ako bi cijela skupina pulsara pokazala povezana neslaganja u vremenskim podudarnostima pulseva, to bi mogao biti znak da su na njihove signale utjecali gravitacijski valovi nastali spajanjem supermasivnih crnih rupa ili inflacijom.

Znanstvenici su već pronašli neke naznake zapisa gravitacijske valne pozadine u bljeskovima skupova pulsara, no do nedavno nije bilo dovoljno podataka da bi se moglo reći je li u pitanju slučaj, odnosno greška.

To bi se moglo promijeniti s najnovijom objavom najavljenom za četvrtak kada bi se trebali doznati rezultati istraživanja koje provodi International Pulsar Timing Array (IPTA) - svjetski konzorcij detektora gravitacijskih valova: američki NANOGrav; europski Pulsar Timing Array; indijski Pulsar Timing Array Project; i australski Parkes Pulsar Timing Array.

U tom pothvatu izuzetno važno i zahtjevno bit će razlučivanje slabog pozadinskog gravitacijskog šuma od svih ostalih 'zvukova' u svemiru. No jedan od najperspektivnijih načina za ostvarenje tog cilja upravo je korištenje skupina pulsara.