Gravitacijski valovi: od Einsteinove enačbe do observatorija v vesolju

Kaj pravzaprav je val?

Splošna teorija relativnosti, ki jo je dokončal Albert Einstein leta 1915, gravitacijo opisuje kot geometrijo prostora-časa. Masivna telesa spremenijo to geometrijo in to vpliva na njihovo gibanje. V članku iz leta 1916 je Einstein pokazal, da se lahko sprememba porazdelitve mase prenaša v obliki valov; Leta 1918 je razvil metodo za izračun sevanja, ki nastane pri določenih vrstah gibanja. To ni valovanje snovi skozi zrak, kot zvok. Same razdalje in časovna razmerja se s prehodom vala spreminjajo.

Predstavljajmo si proste delce, razporejene v krogu. Val, ki poteka pravokotno na ta krog, bi izmenično povečal vrzel v eni smeri in jo zmanjšal v pravokotni smeri in nato obratno. Ta opis se imenuje relativna deformacija ali deformacija in je zapisan kot h = ΔL/L. Črka L označuje začetno razdaljo, ΔL pa njeno spremembo. Ko močan val oddaljene kozmične katastrofe doseže Zemljo, je h reda velikosti 10⁻²¹: razlika na štirikilometrskem kraku je le majhen delček premera protona. Zato ga z običajnim teleskopom ali seizmografom ni mogoče posneti.

Kako nastane vesoljski signal?

Valovanje najučinkoviteje ustvarjajo sistemi, katerih porazdelitev mase se spreminja hitro in asimetrično: dve črni luknji ali dve nevtronski zvezdi, ki krožita druga okoli druge. Njihovo gibanje nosi energijo. Orbita se postopoma oži, telesa krožijo vse hitreje, frekvenca in moč valovanja pa naraščata. Na grafiki je ta zadnja faza videti kot piščalka, ki pospešuje, in se zato imenuje cvrkut. Grafika se včasih pretvori v zvok, da jo ljudje lažje razumejo, vendar kozmični val sam po sebi ni zvok v zraku.

Od posrednih dokazov do prvega izmerjenega vala

Leta 1974 sta Russell Hulse in Joseph Taylor odkrila pulsar v binarnem sistemu PSR B1913+16. Pozorno so sledili rednim radijskim impulzom ene od obeh zvezd in ugotovili, da se orbitalna doba zmanjšuje. Količina izgubljene orbitalne energije je bila skladna z napovedjo, da sistem oddaja gravitacijske valove. Šlo je za močan posredni dokaz, za katerega so leta 1993 prejeli Nobelovo nagrado. Takrat niso neposredno izmerili vala, ki je šel skozi Zemljo.

To je zahtevalo LIGO, ameriško mrežo laserskih interferometrov v Hanfordu in Livingstonu. V vsakem instrumentu se laserski žarek razdeli in potuje skozi dve vakuumski roki pod pravim kotom. Žarki se odbijejo od ogledala, se ponovno srečajo in tvorijo interferenčni vzorec. Če val za hip spremeni dolžino krakov na drugačen način, se spremeni tudi svetlobni vzorec na detektorju. Ogledala so izolirana od tresenja tal, raziskovalci pa sledijo številnim virom hrupa, od toplotnega gibanja do lokalnih vibracij.

14. septembra 2015 sta oba detektorja zabeležila enak prehodni signal z razliko približno sedmih milisekund. Imenuje se GW150914. Njegova oblika je ustrezala združitvi dveh črnih lukenj s približno 36 in 29 sončnimi masami, približno 1,3 milijarde svetlobnih let stran. Nastala črna luknja je imela približno 62 sončnih mas: razlika, približno tri sončne mase, se je sprostila v obliki gravitacijskih valov. Odkritje je bilo javno predstavljeno februarja 2016. Za svoje ključne prispevke k LIGO so Rainer Weiss, Barry Barish in Kip Thorne leta 2017 prejeli Nobelovo nagrado za fiziko.

Meritev na dveh ločenih mestih ni bila le koristna potrditev, da ne gre za lokalni potres. Razlika v času prihoda pove, iz katerega dela neba bi val lahko prispel. Kadar pri opazovanju sodeluje več detektorjev, med njimi evropski virgo in japonski KAGRA, je možno območje iskanja zožiti in v njem poiskati svetlobni signal. Tako so valovi, ki nastanejo ob združitvi nevtronskih zvezd leta 2017, povezani tudi z astronomskimi opazovanji svetlobe. Gravitacijski valovi torej ne nadomeščajo teleskopov: zagotavljajo drug način za preučevanje istega dogodka.

Zakaj se observatorij premika v vesolje?

Kratke ozemljene roke in talni hrup omejujejo frekvence, ki jih lahko zanesljivo izmerimo. Dolga, počasna rotacija zelo masivnih črnih lukenj proizvaja valove nižje frekvence, katerih en cikel lahko traja veliko dlje kot valovi, registrirani ob združitvi manjših črnih lukenj. Evropska vesoljska agencija zato v sodelovanju z Naso pripravlja LISA – Laser Interferometer Space Antenna. Gre za posebno vesoljsko misijo, ki deluje po podobnem principu kot LIGO; LIGO ni bil dobesedno premaknjen v orbito.

Tri vesoljska plovila naj bi letela okoli Sonca za Zemljo, razporejena približno v trikotnik s stranicami 2,5 milijona kilometrov. Izmenjevali bodo laserske žarke in spremljali zelo majhne spremembe razdalje med prostimi testnimi masami v vesoljskih plovilih. Konstrukcija bo morala te mase zaščititi pred neželenimi silami, medtem ko letala sama natančno sledijo svojemu prostemu padu. Misija LISA Pathfinder je že preučila ključne tehnike v vesolju. LISA je bila uradno odobrena leta 2024, ESA pa trenutno načrtuje izstrelitev leta 2035; urnik prihodnjih misij se lahko spremeni.

Medtem ko bodo LIGO in sorodni detektorji spremljali hitre zaključke združitev zvezdnih ostankov, bo LISA lahko spremljala počasnejše sisteme: pare belih pritlikavk v naši galaksiji, približevanje ogromnim črnim luknjam in padec manjšega gostega telesa v polje supermasivne črne luknje. S tem se odpre možnost opazovanja istega pojava v različnih fazah in različnih »tonih«. Od matematične ideje do laserja med tremi vesoljskimi plovili je trajalo več kot stoletje - in še moramo videti, kaj nam bodo povedale najdaljše valovne dolžine.