Gravitacioni talasi: od Ajnštajnove jednačine do opservatorije u svemiru

Šta zapravo talasa?

Opšta teorija relativnosti, koju je Albert Ajnštajn dovršio 1915, opisuje gravitaciju kao geometriju prostor-vremena. Masivna tela menjaju tu geometriju, a ona utiče na njihovo kretanje. U radu iz 1916. Ajnštajn je pokazao da promena rasporeda masa može da se prenosi u obliku talasa; 1918. razradio je način računanja zračenja koje nastaje pri određenim vrstama kretanja. To nije talas materije kroz vazduh, poput zvuka. Sama rastojanja i vremenski odnosi menjaju se dok talas prolazi.

Zamislimo slobodne čestice raspoređene u krug. Talas koji prolazi upravno na taj krug naizmenično bi povećavao razmak u jednom smeru i smanjivao ga u upravnom smeru, a zatim obrnuto. Taj opis zove se relativna deformacija, ili strain, i piše se h = ΔL/L. Slovo L označava početno rastojanje, a ΔL njegovu promenu. Kada do Zemlje stigne jak talas iz daleke kosmičke katastrofe, h je reda veličine 10⁻²¹: razlika na kraku dugom četiri kilometra iznosi samo sićušan delić prečnika protona. Zbog toga ga ne može zabeležiti običan teleskop ili seizmograf.

Kako nastaje kosmički signal?

Talase najefikasnije stvaraju sistemi čiji se raspored masa brzo i nesimetrično menja: dve crne rupe ili dve neutronske zvezde koje kruže jedna oko druge. Njihovo kretanje odnosi energiju. Orbita se postepeno sužava, tela kruže sve brže, a učestalost i jačina talasa rastu. Na grafiku ta završna faza liči na ubrzavajući zvižduk i zato se naziva chirp. Grafik se nekad pretvara u zvuk da bi ga ljudi lakše razumeli, ali kosmički talas sam po sebi nije zvuk u vazduhu.

Od posrednog dokaza do prvog izmerenog talasa

Godine 1974. Russell Hulse i Džozef Tejlor otkrili su pulsar u dvojnom sistemu PSR B1913+16. Pažljivo su pratili pravilne radio-impulse jedne od dve zvezde i otkrili da se orbitalni period smanjuje. Količina izgubljene orbitalne energije slagala se s predviđanjem da sistem emituje gravitacione talase. To je bio snažan posredan dokaz, za koji su 1993. dobili Nobelovu nagradu. Nisu tada neposredno merili talas koji je prošao kroz Zemlju.

Za to je bio potreban LIGO, američka mreža laserskih interferometara u Hanfordu i Livingstonu. U svakom instrumentu laserski zrak se razdvaja i putuje kroz dva vakuumska kraka pod pravim uglom. Zraci se odbijaju od ogledala, ponovo sastaju i prave obrazac interferencije. Ako talas za trenutak izmeni dužine krakova na različit način, promeniće se i obrazac svetlosti na detektoru. Ogledala su izolovana od podrhtavanja tla, a istraživači prate brojne izvore šuma, od termičkog kretanja do lokalnih vibracija.

Četrnaestog septembra 2015. oba detektora zabeležila su isti prolazni signal, s razlikom od oko sedam milisekundi. Nazvan je GW150914. Njegov oblik odgovarao je spajanju dve crne rupe od približno 36 i 29 Sunčevih masa, udaljenih oko 1,3 milijarde svetlosnih godina. Nastala crna rupa imala je oko 62 Sunčeve mase: razlika, približno tri Sunčeve mase, oslobođena je u obliku gravitacionih talasa. Otkriće je javno predstavljeno u februaru 2016. Za ključni doprinos LIGO-u Rajner Vajs, Beri Bariš i Kip Torn dobili su Nobelovu nagradu za fiziku 2017.

Merenje na dva odvojena mesta nije bilo samo korisna potvrda da se ne radi o lokalnom potresu. Razlika u vremenu dolaska govori iz kog dela neba je talas mogao stići. Kada u posmatranju učestvuje više detektora, među njima evropski Virgo i japanski KAGRA, moguće je suziti oblast potrage i u njoj tražiti svetlosni signal. Tako su talasi nastali spajanjem neutronskih zvezda 2017. povezani i sa astronomskim posmatranjima svetlosti. Gravitacioni talasi, dakle, ne zamenjuju teleskope: daju drugi način da ispitamo isti događaj.

Zašto se opservatorija seli u svemir?

Kratki zemaljski kraci i šum tla ograničavaju koje frekvencije možemo pouzdano da merimo. Dugo, polagano kruženje veoma masivnih crnih rupa proizvodi talase niže frekvencije, čiji jedan ciklus može trajati mnogo duže od talasa registrovanih pri spajanju manjih crnih rupa. Evropska svemirska agencija zato priprema LISA — Laser Interferometer Space Antenna — u saradnji sa NASA. To je posebna svemirska misija koja radi na srodnom principu kao LIGO; nije LIGO doslovno premešten u orbitu.

Tri letelice trebalo bi da lete oko Sunca iza Zemlje, raspoređene približno u trougao sa stranicama od 2,5 miliona kilometara. Razmenjivaće laserske zrake i pratiti veoma male promene rastojanja između slobodnih probnih masa u letelicama. Konstrukcija će morati da zaštiti te mase od neželjenih sila, dok same letelice precizno prate njihov slobodan pad. Misija LISA Pathfinder već je ispitala ključne tehnike u svemiru. LISA je formalno odobrena 2024, a ESA trenutno planira lansiranje 2035. godine; raspored budućih misija može se menjati.

Dok će LIGO i srodni detektori pratiti brze završnice spajanja zvezdanih ostataka, LISA će moći da prati sporije sisteme: parove belih patuljaka u našoj Galaksiji, približavanje masivnih crnih rupa i pad manjeg gustog tela u polje supermasivne crne rupe. To otvara mogućnost da se ista pojava posmatra u različitim fazama i različitim „tonovima“. Od matematičke ideje do laserâ između tri letelice put je trajao više od jednog veka — i tek treba da vidimo šta će nam najduže talasne dužine reći.