Kako vrijeme prolazi sve je više indicija da je riječ o stvarnom otkriću, a ne samo o glasinama.

Tako je primjerice jedan od najpoznatijih fizičara svijeta Lawrence M. Krauss u ponedjeljak na Twitteru objavio da je dobio potvrde glasina iz neovisnih izvora.

'Pratite situaciju! Gravitacijski valovi su možda otkriveni!! Uzbudljivo', napisao je Krauss koji kaže da je sada već 60 posto siguran u vjerodostojnost vijesti. Krajem rujna njegova se sigurnost kretala negdje između 10 i 15 posto.

Ushićenje, ali i oprez

Uzbuđenje koje vlada u znanstvenoj zajednici razumljivo je iz više razloga. Prije svega otkriće gravitacijskih valova bilo bi još jedna i konačna potvrda Einsteinove opće teorije relativnosti koja je njihovo postojanje predvidjela prije točno stotinu godina 1916. Ono bi također omogućilo bolje razumijevanje procesa nastanka svemira u velikom prasku i kasnijem ubrzanom širenju koje je poznato kao inflacija. Mnogi fizičari, osobito astronomi, nadaju se da bi uspješno detektiranje nove vrste valova trebalo omogućiti i razvoj novih metoda promatranja svemira osobito neutronskih zvijezda, crnih rupa i eksplozija supernova, kao i procesa razvoja svemira nedugo nakon velikog praska. Naime poznato je da je svaka nova vrsta teleskopa, od onih koji bilježe radiovalove do onih koji bilježe gama-zrake, omogućila nove uvide u zbivanja u svemiru. Konačno neki znanstvenici vjeruju da bi otkriće možda čak moglo otvoriti vrata za novu fiziku koja bi konačno objedinila teoriju relativnosti koja opisuje 'makrosvemir' i kvantnu fiziku koja opisuje 'mikrosvemir'.

No slično otkriće bilo je objavljeno još 2014. u eksperimentu BICEP2 da bi temeljitije provjere u 2015. pokazale kako je signal najvjerojatnije nastao kao rezultat djelovanja svemirske prašine, a ne u velikom prasku. Znanstvenici su zbog toga ovaj puta još oprezniji mada su i BICEP-ovi rezultati bili godinama češljani prije nego što su objavljeni (pogledajte na linkovima dolje).

Što su gravitacijski valovi?

Prema Einsteinovoj teoriji relativnosti svemir nije puka, nepomična praznina u kojoj se nalaze različiti objekti. On se definira kao fizički prostorno-vremenski entitet, a mase koje se u njemu nalaze su u interakciji s njim. U tom prostorvremenu gravitacija se ne manifestira kao nekakva nevidljiva sila koja djeluje na daljinu već kao iskrivljenje prostora. To možemo najjednostavnije ilustrirati ako kretanje planeta oko Sunca pokušamo predočiti kao posljedicu djelovanja zakrivljenja prostora. Zamislimo prostorvrijeme kao neku rastegnutu gumenu membranu, a Sunce i planete kao kugle veće i manje težine. Postavimo tešku kuglu, odnosno Sunce u sredinu gume, a oko nje manje kuglice koje će predstavljati planete. Ako pokrenemo planete da se kreću pravocrtno, oni će se u odnosu na iskrivljene koordinate na udubljenoj gumi kretati ravno, no zapravo će se vrtjeti ukrug po obroncima udubine koju je stvorila najveća kugla.

Na sličan način možemo ilustrirati i gravitacijske valove. Možemo ih zamisliti kao sićušna podrhtavanja koja će u gumenoj površini izazvati neke eksplozije ili udari velikih tijela, odnosno sve nagle i velike promjene u raspodjeli masa na nekoj lokaciji, baš kao što će kamen bačen na površinu vode stvoriti kružne valove.

Kako se otkrivaju gravitacijski valovi?

Teorija predviđa da će gravitacijske valove biti teško otkriti jer će čak i veliki događaji poput eksplozije supernove ili okretanja dviju crnih rupa jedne oko druge izazivati izuzetno male promjene prostora.

Gravitacijski valovi do danas nikada nisu izravno zabilježeni. Za njihovo postojanje pronađeni su samo neizravni dokazi. Russell Alan Hulse i Joseph Hooton Taylor sa sveučilišta Princeton otkrili su 1974. godine da se okretanje neutronskih zvijezda u dvojnom sustavu postupno usporava u skladu s predviđanjima teorije o gravitacijskim valovima (korisna okolnost bilo je to što je jedna od tih zvijezda bila pulsar koji je slao snažan elektromagnetski signal usmjeren prema Zemlji pa se vrijeme međusobne revolucije moglo lako mjeriti - naslovna slika gore). Naime, prema teoriji relativnosti binarne zvijezde tijekom svojeg okretanja jedna oko druge zrače gravitacijske valove i na taj način gube energiju baš kao što je gubi zvijezda koja emitira razne elektromagnetske valove – toplinu, vidljivu svjetlost, ultraljubičaste zrake, itd. A gubitak energije očituje se kao usporavanje.

U nastojanju da izravno otkriju gravitacijske valove, američki su znanstvenici 2002. godine pokrenuli golemi eksperiment Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Budući da u izvornom izdanju nije bio dovoljno osjetljiv da bi ih otkrio, on je u rujnu 2015. unaprijeđen s gotovo četiri puta osjetljivijim instrumentima. Nedugo nakon toga krenule su glasine da je tim napokon zabilježio prve gravitacijiske valove.

U početku su postojale određene ozbiljne sumnje u vijest. Naime, na LIGO-u radi jedan manji tim znanstvenika koji je zadužen da na umjetan način stvara signale koji se ne mogu razlikovati od gravitacijskih valova. Oni trebaju poslužiti kao reference za prave valove, ali i za baždarenje instrumenata. Njihovo ubacivanje u eksperiment drži se u strogoj tajnosti do kasne faze prikupljanja rezultata. Ako se pokaže da su njihovi signali jedini koje je LIGO otkrio, tim priznaje da su oni 'krivci'. Takva lažiranja događala su se više puta od 2002. do 2015. No zanimljivo je da Krauss ovih dana tvrdi da već ima pouzdane informacije prema kojima novi rezultati nisu umjetno stvoreni. Štoviše, navodno je tim već krenuo u pisanje rada koji bi trebao biti objavljen u nekom uglednom časopisu. Ipak autori za sada još uvijek nisu spremni otkriti ništa jer žele da rezultate prvo pregledaju i potvrde neovisni stručnjaci.

Kako funkcionira eksperiment LIGO?

U eksperimentu LIGO laser ispušta zraku od oko 200 vata koja se potom dijeli na dvije koje se usmjeravaju u dva različita pravca pod pravim kutom na putanje duge četiri kilometra (grafika gore). Ako kroz uređaj prođe gravitacijski val, dimenzije prostora će se malo promijeniti – dužina nekog kraka će se na kratko naizmjenično produživati i skraćivati. Zahvaljujući tome zrake lasera, koje su izvorno bile podešene tako da budu u suprotnim fazama, odnosno da se interferencijom međusobno poništavaju kada se odbiju od zrcala i ponovno sretnu, ispast će iz faze, a fotodetektor će to zabilježiti kao signal svjetlosti s određenim periodom koji ima neke karakteristike gravitacijskog vala. Budući da su valne duljine laserskih zraka vrlo malene, a dužine njihovih putanja u usporedbi s njima goleme, čak i minijaturni nabori u prostorvremenu uspjet će rezultirati efektima koje će LIGO moći zabilježiti. Naravno, eksperiment je uređen na takav način da poništava sve moguće smetnje koje bi mogle izazvati lažne signale.

Prema najavama Kraussa i njegovih kolega kroz koji mjesec trebalo bi biti jasno je li otkriće više od glasine u što su mnogi uvjereni. Nadajmo se da su u pravu!