TEMA BROJA

M. Rajković

Gravitacioni talasi

Novi horizonti kosmologije

Naše razumevanje svemira je zasnovano na detektovanju i razumevanju talasa. Elektromagnetni talasi su nam pružili najveći deo informacija. Jedna uska oblast spektra, dugo jedina dostupna – vidljiva svetlost, postepeno je proširena, uglavnom tokom XX veka: infracrvena, radio,visoko-energetska astronomija… Svaki je taj novi “prozor” predstavljao revoluciju i pružao sve dublje uvid u prirodu svemira, govorio je na predavanju“Kosmologija u eri gravitacionih talasa” pre dve godine Goran S. Đorđević, redovni profesor teorijske fizike na Departmanu za fiziku PMF Univerziteta u Nišu, gostujući profesor na Univerzitetu u Banjaluci i gostujući istraživač u CERN-u, koji se poslednju deceniju uglavnom bavi kosmologijom. To novo posmatračko doba otpočelo je pre pet godina otkrićem gravitacionih talasa, još jednim uspešnim testom i potvrdom Ajnštajnove teorije gravitacije.

Goran S. Đorđević, redovni profesor Departmana za fiziku PMF Univerziteta u Nišu

Na uspeh LIGO eksperimenta, američki fizičar Beri Bariš (Barry Barish), glavni menadžer u prvoj dekadi izgradnje posmatračkih postrojenja i jedan od trojice dobitnika Nobelove nagrade za otkriće gravitacionih talasa, osvrnuo se nedavno u jednom intervjuu sa osećanjem da je ispunio svoj dug nauci: “Pre jednog veka mi smo o svemiru znali samo iz vizuelnih posmatranja. Danas taj isti svemir možemo da proučavamo gravitacionim teleskopima, a naša nova nauka ima i ime - Gravitaciona astronomija. Lep je osećaj stvoriti nešto novo tih razmera”. Nema sumnje da će nova nauka “omogućiti različitu, komplementarnu sliku svemira od one koju dobijamo na osnovu elektromagnetnih talasa” (M. Burić).

-Gravitaciona astronomija je odmah zauzela pripadajuće mesto u krugu ne samo astronomskih nego i fizičkih nauka uopšte - kaže profesor Đorđević. - Jer teško je reći gde je i da li postoji granica između “astronomskih” i “fizičkih” nauka. Imajući u vidu prirodu (nastanka) gravitacionih talasa, možemo reći da nam omogućava i omogućavaće da vidimo nevidljivo, kao i pojave gde gravitaciono polje dostiže tako visok intenzitet kakav do sada nismo imali prilike da posmatramo.

Posmatranje bez presedana

Predmet proučavanja “gravitacione astronomije” je višestruk - objašnjava naš sagovornik, kosmolog sa Niškog univerziteta, aktuelni predsednik Unije fizičara Balkana. - Ona proučava pojave u kojima dolazi do ‘sudara’ ili stapanja astrofizičkih objekata velike mase, ali još više: kojima dolazi do stvaranja izuzetno moćnih gravitacionih polja takve snage da bukvalno deformišu prostor i vreme, kakve znamo ili kako smo ih doskoro znali. Drugim rečima, pomoću detektora gravitacionih talasa (gravitacionih teleskopa) sada možemo da posmatramo i proučavamo: stapanje crnih rupa, sudare neutronskih zvezda, stapanje ili sudare crnih rupa i neutronskih zvezda. U budućnosti, moći ćemo da posmatramo procese u koje su uključene supermasivne crne rupe (milion i više puta većim od onih koje sada možemo da proučavamo pomoću gravitacionih talasa). A u nekoj narednoj fazi, i supernove, hipernove i druge objekte, i sam nastanak svemira!
-Gravitaciona astronomija omogućuje da posmatramo procese u kojima se oslobađa gigantska energija, procese koje je praktično nemoguće posmatrati, ne samo pomoću klasičnih teleskopa nego i pomoću bilo kog uređaja baziranog na detekciji i obradi elektromagnetnih talasa.
Da bi nam to što jasnije predstavio, poslužio se analogijom, koliko je ona moguća, s našim čulom vida: “Pored jednog ‘oka’ - optičke (oblast talasnih dužina vidljive svetlosti) astronomije, ultraljubičaste, infracrvene, radio-astronomije, sada smo‘dobili’ i ‘drugo oko’. Pomoću gravitacionih talasa (GT) možemo detektovati, na određeni način vizuelizovati objekte i njihove interakcije iako je njihova priroda veoma različita od prirode elektromagnetnih talasa. Takođe, sve više smo u mogućnosti da koristimo oba ‘oka’, a sinergijski efekat koji dobijamo iz ova dva izvora informacija daje nam mogućnosti posmatranja bez presedana u dosadašnjoj istoriji astronomije, astrofizike i kosmologije”.

Te nove mogućnosti, u sledećoj fazi, doći će s novom generacijom gravitacionih teleskopa koji će se razlikovati od postojećih teleskopa, nazvaću ih‚‚Lprofilom”, s dužinom krakova (cevi) 3-4 km, a u ponečem (samom metodu rada) ostati slični. U njima se nalaze “sinhronizovani” izvori laserskog zračenja, ogledala, detektori... povezani sa veoma mnogo moćnih računara. I još više softvera. “Neki će biti oblika trougla, umesto Lprofila, neki će se graditi pod zemljom, biće duži, a biće ih i u svemiru. Neki prototipovi su već (pozitivno) testirani! Drugi se grade ili pripremaju. Očekuje nas bogat i uzbudljiv “program”. Biće u mogućnosti da otkriju talase različitih talasnih dužina u odnosu na trenutno opservabilne (oko 300 herca, što je u našem čujnom domenu), polarizacije itd.

Nabori samog prostor-vremena

Na osnovu dosadašnjih iskustava,već dovoljno jasno se naziru razvoj, perspektive i dometi nove nauke u okviru opštih napora fizičara da objasne postanak univerzuma i prirodu fizičkog sveta. Navodeći da se izvori gravitacionih talasa obično dele u četiri grupe: a) kratko-živeći i teorijski dobro modelovani sistemi (parovi crnih  rupa, neutronskih zvezda, kombinacije); b) kratko-živeći i (teorijski) slabo proučeni sistemi (supernove, hipernove, “magnetari”); c) dugo-živeći i teorijski dobro modelovani sistemi (npr., brzo rotirajuće i asimetrične neutronske zvezde); i d) dugo-živeće, široko rasprostranjeni-difuzni izvori (pre svega primordijalni gravitacioni talasi), naš sagovornik naglašava da svi ovi izvori, kroz gravitacione talase, emituju ogromnu količinu energije. A gravitacioni talasi nisu talasi koji se emituju kroz neki medijum, ili kroz prostor tokom vremena, ili kroz prostor-vreme posmatran kao jedinstven četvorodimenzionalni “objekat”, nego su to “nabori” samog prostor-vremena.

Istegnuti dijamant?

-Odavno se došlo, kaže, do rezultata-zaključka da će promene relativnog rastojanja dva objekta (recimo, na Zemlji, koji se ne kreću) “pogođena” gravitacionim talasom biti izuzetno male. Grubo govoreći, oko 10-21. Izraženo u metrima - to bi bilo milion puta manje od dimenzija atomskog/nuklearnog jezgra! Zašto je to tako? Pre svega zato što je prostor-vreme, ako koristimo analogiju i iskustvo iz mehanike i osobina materijala (krutost, elastičnost, tvrdoću...) izuzetno``kruto``. Ako bismo se poslužili poređenjem vrednosti jedne veličine (Jangov mod o elastičnosti) koji nam daje “elastičnost-krutost...” dijamanta, prostor-vreme je “kruće”, teže ga je deformisati i istegnuti no dijamant za 10100 puta...Otuda je jasno da se, uprkos “gigantskoj” energiji koja se oslobodi prilikom “stapanja” crnih rupa, već na relativno bliskom rastojanju efekti mere subatomskim dimenzijama.Višedecenijski su bili pokušaji dok se lasersko-interferometarski uređaj LIGO 2015. godine nije pokazao sposobnim da detektuje gravitacione talase. Prilikom prolaska gravitacionog talasa kroz jednu 4 km dugu cev, njena dužina se promeni za oko10-18m! Efekat ekvivalentan promeni rastojanja između Sunca i nama najbliže zvezde za debljinu jedne vlasi kose...
Sada već imamo nekoliko gravitacionih teleskopa istog ili vrlo sličnog tipa. Grade se i gradiće se novi, a “novi horizonti” će biti otvoreni lansiranjem satelita (nazvan LISA) koji će formirati laserske-interferometre dimenzija koje su hiljadama i desetinama hiljada puta veće od dimenzija postojećih (LIGO u Luizijani i Hanfordu (SAD), VIRGO (Italija)...

-Sada znamo da gravitacioni talasi nedvosmisleno postoje, opšta teorija relativnosti je izdržala još jedan test! Teorija “radi” sa velikom preciznošću, crne rupe postoje, izgleda da ih ima više, češće se “sudaraju-stapaju” sa drugima nego što smo očekivali itd. Od onoga što dolazi pomenuo bih samo dva (fizička) fenomena koji su meni najinteresantniji: primordijalni gravitacioni talasi i kvantna gravitacija.

Standardni kosmološki model je izuzetno dobar model. Prošle godine je dodeljena i Nobelova nagrada jednom od njegovih tvoraca. Kada se proširi tamnom materijom i tamnom energijom, gubi ponešto od svoje elegancije, ubedljivosti itd, ali ovde  govorimo o jednom njegovom segmentu ili periodu u evoluciji svemira - Teoriji inflacije i periodu inflatornog širenja. Taj neverovatno kratak vremenski period u kome se svemir proširio (uvećao svoje dimenzije) za 10 i još 25, 26 nula iza, ključan je za objašnjenje nekih 16 efekata koji pre toga nisu mogli biti objašnjeni. Tom prilikom su emitovani (tzv. primordijalni, prvobitni) gravitacioni talasi, znatno kraćih talasnih dužina od onih koje sada možemo meriti. Oni i sada, verujemo, ispunjavaju svemir, ali ih još uvek ne možemo detektovati. Nova generacija svemirskih gravitacionih teleskopa će odgovoriti ili nas približiti punom odgovoru na pitanje: da li je svemir tako nastao?

Sav taj napor hiljada naučnih istraživača, inženjera i tehničara podseća na alpinizam. “Nalazite se na steni koju pre vas niko nije posetio ili nije osvojio. Imate užad i klinove i birate putanju. Želite i idete dalje, više, ali morate učvrstiti klinove sa prethodno pređenog puta, deo po deo, da biste stigli dalje i više, do vrha i ka njemu.”
Hoće li LISA prva uloviti tihi šum primordijalnog gravitacionog talasa u “zvucima” svemira? “To ćemo možda čuti 2035”, kaže. Rezultat vredan priznanja Nobelovog komiteta u oblasti fizike 2036?

M. Rajković

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"