'Dame i gospodo, otkrili smo gravitacijske valove!', rekao je svečano direktor LIGO-a David Reitze.

'Instrumenti LIGO-a zabilježili su signal koji je imao vrlo specifične karakteristike. Registrirali su točno ono što bi Einsteinova teorija predvidjela u slučaju da imamo dvije crne rupe koje kruže jedna oko druge i sjedinjuju se', dodao je.

U novoj studiji, predstavljenoj u časopisu Physical Review Letters praćeni su gravitacijski valovi koje je odaslao par crnih rupa udaljenih 1,3 milijarde svjetlosnih godina od kojih svaka ima oko 30 solarnih masa raspoređenih na malenoj površini od nekoliko desetaka kilometara. One su prvo kružile jedna oko druge da bi se konačno stopile u jednu. To je ujedno i prvi put da je potvrđeno postojanje binarnog sustava crnih rupa. Okrećući se jedna oko druge, one su ubrzavale, slale su sve jače gravitacijske valove i konačno pri srazu dosegle brzinu od oko pola brzine svjetlosti, pojasnio je Reitze.

Poznati fizičar Kip Thorne, koji je bio savjetnik za efekte crnih rupa u filmu Interstellar, rekao je da je energija gravitacijskih valova koju su odaslale crne rupe u kratkom trenutku sraza bila mnogo veća od energije zračenja svih zvijezda u svemiru zajedno!

'Nikada ranije, sve do sada nismo imali provjeru opće teorije relativnosti u strogom režimu', dodao je.

Gabriela Gonzalez, glasnogovornica kolaboracije LIGO, rekla je da su tisuće znanstvenika, uključujući i one u talijanskom projektu Virgo, radile na ovom otkriću te da je ono potvrđeno u oba detektora LIGO-a, kako u onome koji se nalazi u Hanfordu u saveznoj državi Washington, tako i u 3000 kilometara udaljenom Livingstoneu u Louisiani.

'LIGO je izgradio dva detektora jer u njima mjerimo promjene u prostoru koje su toliko sićušne da možemo vjerovati da su stvarne samo ako su potvrđene na dva mjesta', objasnila je.

Predstavljajući grafikon signala, objasnila je da ga je 17. rujna 2015. prvo zabilježio detektor u Livingstoneu da bi već 7 milisekundi kasnije isti takav bio registriran i u Hanfordu.

'Također treba istaknuti da smo vidjeli signale koji točno odgovaraju računalnim simulacijama za slučaj stapanja dvaju crnih rupa', dodala je.

Najveće otkriće uz Higgsov bozon

Naš fizičar doc. Ivica Smolić s PMF-a u Zagrebu kaže da je to jedno od najvećih otkrića u novijoj fizici usporedivo s otkrićem Higgsova bozona.

'Budući da se Nobelove nagrade u fizici dodjeljuju za otkrića koja su eksperimentalno potvrđena, ovo zasigurno spada u red takvih. Signal je potvrđen sa statističkom sigurnošću većom od 5 sigma što se uobičajeno smatra dovoljno uvjerljivim za znanstveno otkriće. Ovo je tek prvi otkriveni signal. U narednim godinama možemo očekivati da će biti izgrađeni brojni detektori koji bi trebali nastaviti s opažanjem gravitacijskih valova. Nama u fizici posebno je zanimljivo otkriti kako izgledaju signali gravitacijskih valova jer se iz njihova izgleda može saznati što se točno zbivalo u raznim interakcijama crnih rupa i golemih tijela', pojasnio je Smolić.

Signali jačine 5 sigma u svijetu fizike znače da je vjerojatnost da je u pitanju statistička greška vrlo malena - jedan naprama 3,5 milijuna. Preciznije rečeno kada bi se napravilo 3,5 milijuna eksperimenata, moglo bi se očekivati da se samo jednom slučajno dogodi pozitivan rezultat kakav je zabilježen u istraživanju.

Što su gravitacijski valovi?

Gravitacijski valovi su putujuće deformacije prostor-vremena, a mogu se usporediti sa zvučnim valovima koji nastaju u zraku ili s valovima vode koji se šire u krugovima kada na površinu bacimo kamen. Njihovo postojanje najavila je još prije 100 godina Einsteinova opća teorija relativnosti. Prema teoriji svemir nije neki prazan prostor već je prostorno-vremenski kontinuum na koji tijela koja se u njemu nalaze utječu svojom masom i kretanjem. Gravitacija u tom kontekstu nije neka nevidljiva sila već je posljedica iskrivljenja prostorvremena pod utjecajem mase tijela. Što tijelo ima veću masu, to će više iskrivljavati prostorvrijeme baš kao što će teža kugla stvarati veću udubinu ako je stavimo na rastegnutu gumenu membranu. Ova interakcija tijela i prostora već je potvrđena u brojnim eksperimentima. Primjerice, dokazano je da zvijezde i galaksije svojom masom iskrivljuju prostorvrijeme čime zakreću i putanje zraka svjetlosti koje prolaze njime. To nam ponekad omogućuje da vidimo čak i neke objekte koji se inače nalaze iza zvijezda i galaksija.

Ono što do danas nije bilo otkriveno, a pretkazano je teorijom relativnosti, su gravitacijski valovi. Oni su bili zabilježeni samo neizravno, po nekim simptomima, no nisu bili registrirani u izravnom opažanju. Za njihovo opažanje do nedavno nismo imali dovoljno osjetljive instrumente jer im je amplituda, kada iz dalekog svemira stignu do nas, negdje reda veličine milijardinke atoma! Naime, amplituda gravitacijskih valova pada širenjem svemirom kao što valovi na površini vode postupno slabe i nestaju kako se udaljavaju od središta u kojem su nastali.

Čak i s najsofisticiranijim instrumentima kakve danas imamo mogu registrirati samo gravitacijske valove koji se stvaraju u događajima u kojima sudjeluju goleme mase pri izuzetno velikim brzinama. Takvi epski događaji su primjerice eksplozije supernova, sudari supermasivnih crnih rupa, veliki prasak i sl.

Nova era u znanosti

Novo otkriće označava početak nove ere u fizici, osobito u astronomiji. Većina istraživanja u toj grani znanosti temelji se na opažanjima elektromagnetskih valova različitih valnih duljina i energija – od radiovalova, preko vidljive svjetlosti do rendgenskih i gama zraka. Mogućnost preciznog registriranja gravitacijskih valova otvorit će sasvim novi prozor u nevidljivi svemir jer se oni stvaraju u brojnim događajima u kojima nema ni vidljivog svjetla niti drugih elektromagnetskih zračenja. Osim toga oni se neometano šire tako da im ništa ne može prepriječiti put. Zahvaljujući gravitacijskim valovima možda ćemo moći istraživati čak i sam veliki prasak u kojem je, prema postojećim teorijama, nastao svemir.

Tri eksperimenta

Lovac na gravitacijske valove LIGO u SAD-u izgrađen 2002., vrijedan oko milijardu dolara, sastoji se od dva kompleksa koji su međusobno udaljeni 3.000 km. Jedan je smješten u saveznoj državi Louisiani, a drugi u Washingtonu. Istu pojavu istražuje i eksperiment Virgo u Italiji. No on do sada nije pronašao ništa jer nije bio unaprijeđen do istih razina preciznosti kao LIGO koji je transformacijom u lipnju 2015. postao čak četiri puta osjetljiviji nego što je bio kada je konstruiran. Trenutno se u Virgu provodi sličan proces unapređenja koji bi trebao biti dovršen tijekom ove godine. Kada bude gotov, otkrivanje gravitacijskih valova bit će podignuto na višu razinu jer će se moći bilježiti na tri mjesta što znači da će se procesom triangulacije moći vrlo precizno otkrivati lokacije izvora iz kojih oni stižu.

Detekcija gravitacijskih valova trebala bi također olakšati istraživanja ranih faza razvoja svemira, a neki znanstvenici se nadaju da bi čak mogla pomoći u objedinjavanju dvaju ključnih teorija u fizici – kvantne koja opisuje mikrosvemir i relativnosti koja opisuje makrosvemir. One obje daju odlične rezultate, međutim do danas ih nitko nije uspio ujediniti u jednu što je 'sveti gral fizike'.

Kako funkcionira Interferometar LIGO-a?

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 dolje). 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 očekivane karakteristike gravitacijskog vala. Budući da su valne duljine laserskih zraka vrlo malene, a dužine njihovih putanja u usporedbi s njima goleme jer istim krakom dugim četiri kilometra prolaze više puta, 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.

Zelenika: To je fascinantna preciznost!

Dr. sc. Saša Zelenika, profesor preciznog inženjerstva i tehnologije mikro i nanosustava na Sveučilištu u Rijeci koji je radio na projektiranju i konstrukciji najnaprednijih ubrzivača čestica u svijetu kaže da je tijekom svoga rada na sinkrotronu u Švicarskoj imao prilike s kolegama s LIGO instalacije razmjenjivati iskustva potrebna da bi se dinamička stabilnost uređaja zadržala na prihvatljivim razinama u prisustvu poremećaja.

'Dok smo mi težili stabilnosti na razini nanometra, milijarditog dijela metra, kolege s LIGO-a morali su na svojoj strukturi s krakovima dugima četiri kilometra osigurati da zrcala od kojih se reflektira laserska svjetlost budu, u jednom uskom frekventnom području, stabilna sve do razine od atometra, tj. milijarditog dijela od tog našeg nanometra, ili 10 na -18 metara! Da bi to postigli, morali su pomaknuti granice tehnologije i kod sustava pasivne i kod sustava aktivne kontrole i kompenzacije vibracija, te isfiltrirati utjecaj svakog poštara, automobila i kamiona koji je prolazio kilometrima uokolo njihove instalacije', objasnio je Zelenika.