V okviru svoje splošne teorije relativnosti je Einstein predvideval, da mora masa oddajati gravitacijske valove. Moral bi biti sposoben zaznati najmočnejše gravitacijske valove, ko prehajajo skozi Zemljo. In vesoljski observatorij, načrtovan za zagon leta 2015, imenovan LISA, bi moral biti še močnejši.
Znanstveniki so blizu, da dejansko vidijo gravitacijske valove. Kreditna slika: NASA
Gravitacija je znana sila. To je razlog za strah pred višino. Luna drži Zemljo, Zemlja sonce. Preprečuje, da bi pivo plavalo iz naših kozarcev.
Ampak kako? Ali Zemlja na Luno pošilja tajna sporočila?
No, ja - nekako.
Eanna Flanagan, Cornellova izredna profesorica fizike in astronomije, je svoje življenje posvetila razumevanju gravitacije, saj je bila študentka University College Dublin na rodnem Irskem. Zdaj, skoraj dve desetletji po tem, ko je Irsko zapustil, da bi doktoriral pri slovitem relativistu Kip Thorneu na Kalifornijskem tehnološkem inštitutu, se njegovo delo osredotoča na napovedovanje velikosti in oblike gravitacijskih valov - neugleden pojav napoved Einsteinove teorije splošne relativnosti iz leta 1916 ki pa niso bili nikoli neposredno odkriti.
Leta 1974 sta astronoma z univerze Princeton Russell Hulse in Joseph H. Taylor Jr. posredno merila vpliv gravitacijskih valov na soobstojne nevtronske zvezde, kar je bilo odkritje, ki jim je prineslo Nobelovo nagrado za fiziko leta 1993. Zahvaljujoč nedavnemu delu Flanagana in njegovih sodelavcev so znanstveniki zdaj na robu, da prve gravitacijske valove vidijo neposredno.
Zvok ne more obstajati v vakuumu. Za dostavo sporočila potrebuje medij, na primer zrak ali vodo. Podobno gravitacija ne more obstajati v ničemer. Prav tako potrebuje medij, s katerim lahko posreduje svoje sporočilo. Einstein je teoretiziral, da je ta medij prostor in čas oziroma "prostor za vesolje".
Spremembe tlaka - udarci po bobnu, vibrirajoče glasilke - proizvajajo zvočne valove in valovanje v zraku. Po Einsteinovi teoriji spremembe mase - trk dveh zvezd, pristanek prahu na knjižni polici - povzročijo gravitacijske valove in valovanje v vesolju.
Ker ima večina vsakdanjih predmetov maso, bi morali biti gravitacijski valovi povsod okoli nas. Zakaj jih torej ne najdemo?
"Najmočnejši gravitacijski valovi bodo na Zemlji povzročili merljive motnje, ki so 1.000 krat manjše od atomskega jedra," je pojasnil Flanagan. "Njihovo odkrivanje je velik tehnični izziv."
Odgovor na ta izziv je LIGO, Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, kolosalni eksperiment, ki vključuje sodelovanje več kot 300 znanstvenikov.
LIGO sestavljata dve napravi, ki sta skoraj 2000 kilometrov narazen - ena v Hanfordu, Washingtonu, in ena v Livingstonu, La. vakuumske cevi v betonu. Ultra stabilni laserski žarki prečkajo cevi in se odbijajo med ogledali na koncu vsake roke. Znanstveniki pričakujejo, da bo prehodni gravitacijski val raztegnil eno roko in stisnil drugo, zaradi česar bosta oba laserja prepotovala nekoliko različne razdalje.
Razliko lahko nato merimo tako, da "vmešavamo" laserje, kjer se roke sekajo. Primerljivo je z dvema avtomobiloma, ki vrtita pravokotno proti križišču. Če bodo potovali z enako hitrostjo in razdaljo, se bodo vedno zrušili. Če pa so razdalje različne, bodo morda zamudile. Flanagan in njegovi sodelavci upajo na miss.
Poleg tega bo natančno določeno število laserskih udarcev ali zgrešilo podatke o značilnostih in izvoru gravitacijskega vala. Flanaganova vloga je predvideti te lastnosti, da bodo njegovi kolegi iz LIGO vedeli, kaj naj iščejo.
Zaradi tehnoloških omejitev je LIGO sposoben samo zaznati gravitacijske valove določenih frekvenc iz močnih virov, vključno z eksplozijami supernove v Mlečni poti in hitro vrtenjem ali sooblikovanjem nevtronskih zvezd v Mlečni poti ali oddaljenih galaksijah.
Za širitev potencialnih virov NASA in Evropska vesoljska agencija že načrtujeta naslednika LIGO, LISA, vesoljsko anteno za laserski interferometer. LISA je po konceptu podobna LIGO, le da bodo laserji med tremi sateliti oddaljeni 3 milijone milj narazen, ki bodo zasedali Zemljo v orbiti okoli sonca. Posledično bo LISA lahko zaznala valove pri nižjih frekvencah kot LIGO, kot so tisti, ki nastanejo ob trku nevtronske zvezde s črno luknjo ali trku dveh črnih lukenj. LISA naj bi se začela leta 2015.
Flanagan in sodelavci s tehnološkega inštituta v Massachusettsu so pred kratkim razvozlali podpis gravitacijskega vala, ki nastane, ko supermasivna črna luknja pogoltne nevtronsko zvezdo velikosti sonca. To je podpis, ki ga bo LISA prepoznala.
"Ko LISA leti, bi morali videti na stotine teh stvari," je opozoril Flanagan. "Izmerili bomo lahko, kako se vesolje in prostor izkrivljata in kako naj bi se okoli vrtela črna luknja. Vidimo elektromagnetno sevanje in mislimo, da gre verjetno za črno luknjo - toda približno toliko, kolikor imamo. Zelo razburljivo bo, ko bomo končno videli, da relativnost dejansko deluje. "
Toda opozoril je: "Morda ne bo šlo. Astronomi opazujejo, da se širjenje vesolja pospešuje. Ena od razlag je, da je treba spremeniti splošno relativnost: Einstein je imel večinoma prav, toda v nekaterih režimih bi lahko stvari delovale drugače. "
Thomas Oberst je pripravnik znanosti v Cornell News Service.
Izvirni vir: Cornell University
