Svemir prosto odzvanja vibracijama različitih gravitacionih valova, otkrile su nove naučne studije, objavljene u junu 2023.
Nakon 15 godina posmatranja zvijezda, NANOGrav kolaboracija je „čula” šum gravitacijskih valova/gravitacionih talasa koji se mreškaju kroz svemir. Velik dio ove pozadinske „buke“ vjerovatno je uzrokovan parovima supermasivnih crnih rupa koje se spiralno približavaju sudaru.
Do revolucionarnog otkrića došli su naučnici iz Sjevernoameričkog nanohercnog opservatorija za gravitacijske valove (NANOGrav) koji su posmatrali zvijezde koje nazivamo pulsari i djeluju kao nebeski metronomi, jer pulsiraju u pravilnim razmacima. Oni imaju jaka magnetska polja i brzom rotacijom stvaraju elektromagnetske snopove, koje možemo detektovati sa Zemlje. To su neutronske zvijezde nevjerojatne gustine koje izbacuju radio valove sa svojih magnetskih polova. Svaki put kad se pulsar okrene oko svoje osi, njegova radijska zraka ulazi i izlazi iz vidnog polja prema Zemlji, što rezultuje pulsom u pravilnim intervalima. Milisekundni pulsari rotiraju najbrže, do nekoliko stotina puta u sekundi.
Astrofizičarka Jocelyn Bell Burnell je izmjerila prve radiovalove pulsara 1967. i ovo otkriće je dobrim dijelom omogućeno i njenim radom. Stvar je u tome što gravitacioni valovi mijenjaju intervale u kojima se događa ovaj puls. U prevodu, to znači da naučnici mogu iskoristiti cijelu galaksiju kao detektor gravitacionih valova. Naučnici NANOGrav opervatorije su objavili svoje otkriće 29. juna 2023. u seriji naučnih radova u The Astrophysical Journal Letters.
Šta su to gravitacioni valovi/talasi
To su valovi koji talasaju prostor-vrijeme kontinuum ako se objekti velike mase sudaraju, poput crnih rupa ili ako kruže jedan oko drugog prije kolizije. Masa zakrivljuje prostor-vrijeme i ovakvi događaji kreiraju nevidljiva širenja i sužavanja prostor-vremena.
Gravitacioni valovi ili gravitacioni talasi su prvi put detektovani 2015. godine, u eksperimentu LIGO/VIRGO, naučni radovi o tome su izašli u februaru 2016. godine, a potom su detektovani još nekoliko puta. Vrlo brzo nakon prve detekcije, 2017. godine, dodijeljena je i Nobelova nagrada za fiziku i to Raineru Weissu, Barryju C. Barishu i Kipu S. Thorneu.
Albert Einstein je 1916. predložio postojanje gravitacijskih valova kao dio njegove revolucionarne opšte teorije relativnosti, koja je gravitaciju prikazivala kao iskrivljenje prostora i vremena.
Novootkriveni gravitacijski valovi – mreškanje u „tkanini“ prostor-vremena – daleko su najsnažniji ikada izmjereni: nose otprilike milion puta više energije od otkrivenih jednokratnih izljeva gravitacijskih valova iz crne rupe i spajanja neutronskih zvijezda u eksperimentima kao što su LIGO/VIRGO.
Ako su naučnici već otkrili gravitacijske valove, zašto je NANOGrav potreban?
To je zato što kolaboracija traži različite frekvencije gravitacijskih valova. Raspon LIGO-a usredotočen je na zvjezdane ostatke crnih rupa i drugih nebeskih objekata slične mase. Naprotiv, NANOGrav je antena gravitacijskih valova veličine galaksije koja je osjetljiva na mnogo niže frekvencije (za otprilike 10 redova veličine) gravitacijskih valova od LIGO. LIGO ne može otkriti ova mrmljanja, niskofrekventne gravitacione valove/talase. Ova dva eksperimenta, LIGO/VIRGO i NANOGrav su komplementarni.
U čemu je razlika u načinu detekcije gravitacionih valova između LIGO/VIRGO i NANOgrav?
Gravitacijski valovi uzrokuju rastezanje prostora u jednom smjeru i istovremeno sabijanje u okomitom smjeru. U LIGO-u, interferometru u obluku slova „L” to uzrokuje da jedan krak interferometra postaje duži, dok drugi postaje kraći, zatim obrnuto, naprijed-natrag sve dok val prolazi.
LIGO, odnosno, punim imenom Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, sastoji se od 2 dijela, dvije stanice: jedna astronomska opservatorija smještena u Hanfordu, u saveznoj državi Washington, a druga u Livingstonu, Louisiana.
Svaka instalacija LIGO-a je podzemni laserski interferometar u obliku slova L s krakovima dugim 4 km. Svaki krak interferometra nalazi se unutar vakuumirane cijevi promjera 1,3 m.
Međutim, postoji i drugi način detekcije gravitacionih valova, posebice onih niske frekvencije. LIGO nije osjetljiv toliko da detektuje ove valove.
To otkrivanje manjih talasa koristi pulsare, odnosno cijelu galaksiju kao detektor. Umjesto da se gradi nova opservatorija na Zemlji u obliku slova “L”, posmatraju se pulsari. Ako gravitacijski val malo skrati ili produži prostor-vrijeme kroz koji prolazi signal pulsara, na Zemlji će se moći zabilježiti mali poremećaj u njegovom dolasku.
Ovo ne možete detektovati prateći samo jedan pulsar, da bi nalaz bio vjerodostojan. U NANOGrav opsevaciji fenomen je upraćen na 68 pulsara. U kolaboraciji je učestovovalo stotinjak naučnika. Objavljeni rezultati imaju razinu pouzdanosti od 4 sigme (99,349%).
Ovo otkriće pokazuje kako stalno postoje događaji u kojim crne rupe kolabiraju, a ne da su gravitacioni talasi izolirani rijetki fenomeni. Zapravo ovo je kao valovi na vodi koji stalno izazivaju mreškanje. Naš svemir vibrira ovim talasima, preplavljen je njima!
Pronaći ovaj šum stalnih dalekih gravitacionih talasa je kao pronalaženje nekog tačno određenog zvuka u velikoj grupi ljudi koji svi pričaju i mrmljaju. Ovo je zapravo jedna vrsta svemirskog mrmljanja. Ovo otkriće se razlikuje od prvih detekcija gravitacionih valova, jer je to dokaz da ovo nisu usamljeni fenomeni, nego da se stalno događaju i stvaraju neku vrstu pozadinske buke.
„Pozadinski valovi koje je otkrio NANOGrav mogli bi pomoći naučnicima da bolje razumiju kako nastaju gravitacijski valovi i što se s njima događa dok se šire svemirom. Također bi se mogli koristiti za proučavanje supermasivnih spajanja crnih rupa, događaja koji mogu trajati milionima godina. Naučnici misle da se ta spajanja događaju u većini galaksija i utječu na njihovu evoluciju“, navodi NASA.
Šta kaže dr. Cosmic Ray
Dr Cosmic Ray (upratite je na TikToku i Instagramu) – astrofizičarka dr Tijana Prodanović je to ovako prokomentarisala za Nauka govori:
“2015. godina bila je važna za astronomiju jer smo dobili nove oči – od tada vidimo svemir i kroz gravitacione talase. Do tada smo svemir većinom posmatrali putem elektromagnetnog zračenja (svetlosti) što je u stvari talasanje električnog i magnetnog polja. A sada vidimo i talasanje prostora pomoću gravitacionih talasa. Gravitacioni talasi koje možemo da vidimo na Zemlji su oni koji nastaju kada se sudaraju tela koja su nekoliko puta i nekoliko desetina puta masivnija od Sunca, tj. kad se recimo sudaraju dve crne rupe. Međutim u svemiru postoje u supermasivne crne rupe koje su milionima puta masivnije od Sunca i one se nalaze u centrima galaksija, pa i u Mlečnom putu.
E kada se takve crne rupe sudaraju što se dešava svaki put kada se galaksije sudaraju, to proizvodi mnogo duže gravitacione talase nego što je veličina Zemlje te da bi njih videli trebao bi nam detektor veličine nekoliko svetlosnih godina! Zato su naučnici iskoristili pulsare koji su razbacani po galaksiji da njih pretvore u neku vrstu detektora dugačkih gravitacionih talasa.
Pošto gravitacioni talasi istežu prostor to znači da kad oni prolaze oni menjaju rastojanje među objektima. Rastojanje medju pulsarima naučnici mere mereći vreme između njihovih pulseva. Pulsari su ko neki svemirski svetionici-časovnici jer nam izgleda kao da se pale i gase u jako pravilnim vremenskim intervalima.
A ako se slučajno taj interval kad on bljesne promeni to znači da se rastojanje do nas promenilo (jer brzina=pređeni put/vreme a brzina je svima ista, to je brzina svetlosti).
Tako da su na taj izuzetno pametan način i sa jako puno strpljenja jer su morali da analiziraju 15 godina sakupljenih podataka, naučnici uspeli da primete da se ceo svemir blago talasa. Takvi gravitacioni talasi bi mogli da budu baš ti koji nastaju u sudarima galaksija ali bi mogli da budu i posledica nečeg egzotičnijeg. Ostaje da vidimo.”
