Gravitacioni talasi (2)

Obavljeno je prvo organizovano posmatranje kosmičkog fenomena na osnovu merenja gravitacionih talasa

Pre nešto manje od dve godine (SK 3/2016) pisali smo o potvrdi postojanja gravitacionih talasa, koji su predviđeni pre više od sto godina Ajnštajnovom opštom teorijom relativiteta i koji su sastavi deo teorije kosmičke inflacije. Tom prilikom napomenuli smo i da mnogim naučnicima nije bitna ta potvrda koliko mogućnost upotrebe interferometara za detekciju gravitacionih talasa za nova otkrića. Upravo to se desilo nedavno, sredinom avgusta, kada su opservatorije LIGO i Virgo obavile merenja fluktuacija u gravitacionim talasima, na osnovu kojih su astronomi širom sveta mogli da posmatraju konvencionalnim teleskopima jedan neverovatan, kataklizmički svemirski fenomen.

Triangulacija

Sama potvrda postojanja gravitacionih talasa desila se zahvaljujući jednom fantastično burnom kosmičkom događaju – tokom finalnog stadijuma spajanja dve crne rupe, svaka više od 30 puta teža od Sunca, one su kružile jedna oko druge velikom brzinom, što je rezultovalo stvaranjem snažnih gravitacionih talasa koji su, poput svemirskog svetionika, mogli da budu otkriveni na Zemlji 1,3 milijardi svetlosnih godina daleko. Od septembra 2015. godine do danas merenjem fluktuacija u gravitacionim talasima otkrivena su ukupno četiri spajanja crnih rupa i pesimisti su već počeli da zanovetaju kako je ovo jedina vrsta događaja koja može da se otkrije na ovaj način, jer ništa drugo ne pravi dovoljno jake gravitacione talase koje bi naši merni instrumenti mogli da otkriju. Novo merenje, koje je započelo celu frku, obavljeno je 17. avgusta ove godine i detektovan je događaj koji možda zvuči manje bombastično, ali je i dalje ekstremno eksplozivan – u pitanju je spajanje dve neutronske zvezde. Sem toga što je ovo prvo otkriće gravitacionih talasa koji nisu izazvani spajanjem crnih rupa, ovaj događaj je značajan i zbog toga što je mogao da se posmatra konvencionalnim teleskopima i da bi, zatim, naučnici mogli da kombinuju rezultate svih merenja i posmatranja kako bi testirali aktuelne modele koji se koriste u astronomiji i našli neka nova pitanja koja produbljuju naše shvatanje svemira.

Ovo otkriće, nazvano GW170417, pratilo je i nekoliko srećnih slučajnosti. Sve je započelo u Pasadeni u Kaliforniji, na Univerzitetu Caltech, gde se nalazi kontrolna baza jedne od dve američke laboratorije LIGO (Laser Interferometry Gravitational-Wave Observatory – Opservatorija gravitacionih talasa laserskom interferometrijom). Same LIGO opservatorije, koje se nalaze u Hanfordu u državi Vašington i Livingstonu u Luizijani, radile su neprestano više meseci i bilo je planirano da se tog 17. avgusta ugase radi redovnog održavanja i remonta. Ipak, devetnaest minuta pre devet sati ujutro po atlantskom vremenu interferometar je počeo da pokazuje gravitacione talase, i to drugačije od onih detektovanih ranije. Naime, gravitacioni talasi koji utiču na spajanje crnih rupa jesu snažni, ali traju kraće od jedne sekunde. Ovaj novi tip talasa trajao je duže od minut i po. Ovako dugo trajanje talasa značilo je da su objekti koji ih prave mnogo manji od crnih rupa i da mogu da priđu jedan drugom na znatno manju udaljenost pre konačnog spajanja. Već na osnovu tog signala glavni kandidat za izvor postalo je spajanje dve neutronske zvezde.

Neutronske zvezde predstavljaju „Sveti gral” projekta LIGO jer, iako su se proslavili otkrivanjem gravitacionih talasa iz crnih rupa koje se spajaju i potvrđivanjem Ajnštajnove teorije, to je bio samo delić puta na kom se ove opservatorije nalaze. Cilj je neprestano unapređivanje osetljivosti njihovih interferometara kako bi mogli da se registruju sve slabiji gravitacioni talasi što bi omogućilo češće otkrivanje raznih kosmičkih događaja koji ih izazivaju. Sada, kada je po prvi put otkriven sudar neutronskih zvezda, unapređivanje osetljivosti uređaja konačno je dostiglo onaj stepen u kom njihova merenja mogu da aktivno pomažu astronomskoj zajednici.

Čim su gravitacioni talasi registrovani, naučnici iz Pasadene odmah su kontaktirali svoje kolege u drugoj kontrolnoj bazi laboratorije LIGO, na Univerzitetu MIT, da bi potvrdili da su i njihovi merni uređaji otkrili identične talase. Zatim je pozvana i italijanska opservatorija Virgo, koja se nalazi u blizini Pize. Postojanje interferometra za Virgo je veoma značajno, jer je on počeo sa radom tek krajem proleća ove godine i do tada su samo dve LIGO laboratorije mogle da obave neophodno precizna merenja. Sada kada postoje tri funkcionalne laboratorije moguća je mnogo brža triangulacija i otkrivanje pravaca iz kojih gravitacioni talasi stižu. Zapravo, zbog svog položaja na površini Zemlje, Virgo nije bio u prilici da detektuje gravitacione talase u punoj snazi, nego gotovo ispod praga osetljivosti. Ipak, upravo takav rezultat merenja bio je od velike pomoći jer je ukazao na pravac odakle dolaze talasi. Tako je zajedničkim merenjem ova tri interferometra određeno gde se, približno, nalazi izvor tih gravitacionih talasa – na južnom nebu, u pravcu sazvežđa Hidra.

Mobilizacija

Nakon što je određen generalni pravac izvora talasa, obavljena je trenutna mobilizacija naučne zajednice slanjem bujice mejlova, tvitova i direktnih poruka. Astronomi sada nisu morali da pretražuju 40.000 kvadratnih stepeni kosmičke sfere, već samo mali, južni region od tek trideset kvadratnih stepeni. Pet sati nakon prvog merenja gravitacionih talasa u Pasadeni, više hiljada naučnika iz svih krajeva sveta usmerilo je svoje teleskope ka sazvežđu Hidra. Sedam sati kasnije, izvor gravitacionih talasa je otkriven. Najznačajnija posmatranja tog 17. avgusta i tokom sledećih nekoliko nedelja obavili su timovi koji rade na sedamdeset najvećih teleskopa, kako onih na površini naše planete, tako i onih u orbiti Zemlje. Dok se na analizi podataka zabeleženih tom prilikom i dalje radi, određena preliminarna saznanja su već objavljena.

Za mnoge naučnike ovaj događaj je poseban i iz jednog drugog, simboličnog razloga. Do sada su astronomi bili ograničeni na posmatranje svemira isključivo merenjem elektromagnetnih talasa, bilo da se radi o infracrvenom, vidljivom, ultraljubičastom ili rendgenskom spektru ili pak o radio ili mikrotalasima. Istovremenim posmatranjem ovog kosmičkog događaja meračima gravitacionih talasa i elektromagnetnim teleskopima zvanično je započela nova era u izučavanju svemira, takozvana višeglasnička astronomija (multi-messenger astronomy). Paralelno sa originalnim merenjem gravitacione fluktuacije, orbitalni teleskop Fermi detektovao je visokoenergetski prasak gama zraka koji ukazuje na sudar dva ekstremno vrela objekta, i to je gotovo bila potvrda da se radi o sudaru neutronskih zvezda.

Prvi vidljivi snimak ovog događaja napravljen je teleskopom Swope (reflektor sa ogledalom prečnika jednog metra) u opservatoriji u Las Kampanjasu u Čileu. Događaj se odigrao u galaksiji koja nosi oznaku NGC 4993 udaljenoj „samo” 130 miliona svetlosnih godina od Zemlje. Masa svake neutronske zvezde koje su sudelovale u ovom spajanju nije mnogo veća od mase našeg Sunca, procenjuju se vrednosti između 10-20 procenata veće, ali, pošto se radi o neutronskim zvezdama, njihov prečnik je manji od 30 kilometara. Neutronske zvezde nastaju kolapsom jezgra nakon supernove ogromnih zvezda (težih od Sunca oko dvadeset puta). Gravitacija unutar ovih objekata je toliko jaka da se protoni i elektroni u svim atomima u njima spajaju u neutrone, pa se gotovo cela zvezda sastoji od neutrona.

Fabrika

Sudar dveju neutronskih zvezda rezultuje ekstremnom eksplozijom koja se naziva kilonova, zato što se procenjuje da je njen intenzitet oko hiljadu puta veći od supernove i do ovog merenja smatrana je čisto teoretskim događajem. Tom prilikom dolazi do izbacivanja velike količine supergustog materijala od kog su sačinjene neutronske zvezde (kada biste imali jednu supenu kašiku materije iz neutronske zvezde, ona bi bila teška oko milijardu tona). Na osnovu merenja intenziteta svetlosti ovog događaja, utvrđeno je da se materija izbačena eksplozijom kretala približno trećinom brzine svetlosti. Sem toga, spektar elektromagnetnog zračenja nakon eksplozije ukazuje na to da su ovakvi sudari verovatno kosmičke fabrike za najveći procenat teških elemenata periodnog sistema koji se nalazi u svemiru.

Odavno je poznato da se tokom supernova iz zvezda izbacuju teži elementi i da se tako formiraju solarni sistemi, ali, na osnovu poznatih energetskih vrednosti unutar zvezda, naučnici su imali probleme pri objašnjavanju nastanka elemenata težih od gvožđa i prisustva teških elemenata u procentu koji smo otkrili u našem sistemu. Ispostavlja se da relativno mali procenat teških elemenata nastalih prilikom supernova ne predstavlja toliki problem, ako se uzme u obzir ono što se dešava prilikom kilonove. Naime, kada materijal sačinjen od gusto „pakovanih” neutrona napusti snažno gravitaciono polje neutronske zvezde, dolazi do njegove ekspanzije u formu „normalne materije” sa „regularnim” atomima koji se sastoje od neutrona, protona i elektrona. Pošto su neutroni već spakovani tako gusto, oni lakše formiraju teže elemente, koje smatramo retkim i vrednim. Tako je upravo u ovoj eksploziji, na osnovu zračenja, detektovan veliki procenat zlata, platine i iridijuma. Pošto se fragmenti izbačenog materijala kreću ekstremno brzo, moguće je da su oni mehanizam za dostavljanje težih elemenata u solarne sisteme širom galaksija. Za romantičare među nama koje oduševljava ideja da smo svi mi sazdani od „prašine” neke zvezde koja je eksplodirala pre više milijardi godina, sigurno će biti jednako inspirativan podatak da zlato u njihovom nakitu ili iridijum u mobilnom telefonu potiču iz davnog i dalekog sudara dve neutronske zvezde.

• • •

Od 25. avgusta interferometri u sve tri opservatorije za detekciju gravitacionih talasa su isključeni i neće biti ponovo pušteni u pogon sve do sledećeg leta. Poslednji put kada su LIGO interferometri prošli kroz remont, njihova osetljivost je povećana četiri puta, a odgovorni se nadaju da će se ovakav trend nastaviti i sa unapređenjem koje je trenutno u toku. Kada ove opservatorije sledećeg leta nastave sa svojim radom, treba očekivati da ovakva otkrića budu još češća. Sem toga, optimistično prognoziraju da će učestalost detekcija sudara crnih rupa i neutronskih zvezda dovesti do osvetljavanja novih tajni iz kosmičkih dubina. Naučnici se, naravno, nadaju upravo otkrivanju nečeg nepoznatog što će dovesti do novih, neočekivanih pitanja, a onda oni mogu da se bace na pronalaženje odgovora i da pokušaju da zađu još dublje u način na koji svemir funkcioniše.

Dragan KOSOVAC