— Published on 01/06/2010 / Čovjek i svemir 4 (2009. – 2010.).
Astronomija gravitacijskih valova jedna je od astronomija budućnosti. Zasad još ne postoji. Izvori gravitacijskih valova još nisu direktno opaženi. Čak ni sami gravitacijski valovi još nisu neposredno potvrđeni. Potvrđeni su, međutim, posredno. Također, postoje uvjerljiva teorijska predviđanja kozmičkih izvora gravitacijskih valova. Stoga veliki broj astrofizičara marljivo radi na analizi sadašnjih i dizajnu budućih eksperimenata iz područja gravitacijskih valova. Tim bi se eksperimentima uskoro mogli neposredno detektirati gravitacijski valovi iz svemira; primjerice iz egzotičnih kozmičkih događaja kao što su nastanci crnih rupa.
Što je gravitacija?
Gravitacija je prirodna pojava međusobnog privlačenja objekata koji imaju masu. Masa je pak jedno od temeljnih svojstvava tijela. Zbog mase se tijela privlače (u tom kontekstu govorimo o teškoj masi) te se opiru promjeni gibanja (pa govorimo o tromoj masi). Nije odmah bilo jasno da su teška i troma masa jedno te isto svojstvo. To je pokazao tek Albert Einstein, 1915. godine, svojom općom teorijom relativnosti. Koncept mase u fiziku je uveden istovremeno s konceptom sile.
Gravitacijska sila jedna je od četiri temeljne sile u prirodi. Ostale tri su elektromagnetska, jaka i slaba sila. Zbog gravitacijske sile tijela padaju na tlo kad ih ispustimo iz ruke. Gravitacijska sila povezuje Mjesec sa Zemljom te uzrokuje plimu i oseku. Ista je gravitacijska sila odgovorna za okupljanje manjih čestica u veća tijela. Na taj su način nastale zvijezde i planeti. Također, gravitacijska sila drži na okupu Sunčev sustav ili zvijezde u galaktici.
Matematički opis gravitacijske sile prvi je dao Isaac Newton u svojoj knjizi Philosopiae Naturalis Principia Mathematica, objavljenoj 1687. godine. U njoj je Newton formulirao zakone gibanja te opći zakon gravitacije. Time je, između ostalog, ujedinio zemaljsku i nebesku mehaniku. Nadalje, Newton je redefinirao koncept sile kao uzroka promjene gibanja. Do tada je vladalo pogrešno Aristotelovo tumačenje sile kao uzroka gibanja.
Newtonov opći zakon gravitacije izvrsno je opisivao većinu gravitacijskih pojava na Zemlji i u svemiru. Štoviše, on to izvrsno radi i danas. Za precizan izračun putanja svemirskih letjelica, primjerice, dovoljan je Newtonov zakon gravitacije. No, danas znamo da je taj zakon samo dobra aproksimacija (pri uvjetima koji nisu ekstremni) puno općenitijeg opisa gravitacije - Einsteinove opće teorije relativnosti. Opća teorija relativnosti najbolji je opis gravitacije koji trenutno imamo.
Opća teorija relativnosti
Glavna pretpostavka koja je Einsteina dovela do opće teorije relativnosti bila je jednakost ubrzanja i gravitacije. Danas tu tvrdnju nazivamo načelom ekvivalencije. Učinci ubrzanja na tijelo ekvivalentni su učincima lokalnog gravitacijskog polja. Načelo ekvivalencije je za opću teoriju relativnosti ono što je načelo relativnosti za posebnu. Posebna teorija relativnosti opisuje sustave koji se jedan u odnosu na drugoga (dakle, relativno) gibaju jednoliko ili miruju. U svakom slučaju, ne ubrzavaju se. Takve sustave nazivamo inercijskim sustavima. Načelo relativnosti kaže da su svi inercijski sustavi ravnopravni. U svim inercijskim sustavima jednako vrijede zakoni fizike. Već je ranije bilo poznato Galilejevo načelo relativnosti: u svim inercijskim sustavima jednako vrijede zakoni mehanike. Einstein je tražio, i pronašao, proširenje tog načela na elektrodinamiku (gibanje električki nabijenih tijela). Einsteinova posebna teorija relativnosti tako je ujedinila mehaniku i elektromagnetizam.
Opća teorija relativnosti proširila je priču na neinercijske sustave. To su sustavi koji se jedan u odnosu na drugoga gibaju ubrzano. Kao što smo već spomenuli, prirodno je proizašla veza ubrzanih sustava s gravitacijom. Stoga je Einsteinova opća teorija relativnosti ukazivala na vezu mehanike i elektromagnetizma (posebne teorije relativnosti) s gravitacijom. Već je ranije Maxwell ujedinio elektricitet, magnetizam i optiku, tri naizgled neovisna područja fizike. Einstein je do kraja života bezuspješno tragao za ujedinjenjem gravitacije i elektromagnetizma, takozvanom jedinstvenom teorijom polja. Nije ju pronašao, no njegove su težnje vodile postavljanju općeg cilja fizike kao jedinstvenog opisa svih pojava, traženju teorije svega.
Osim gravitacijske sile, u prirodi postoje još tri temeljne sile: elektromagnetska, jaka i slaba. Te tri sile opisane su u okviru Standardnog modela čestica i sila. Njihov je mehanizam jedinstven, premda realiziran na različite načine. Elektromagnetska, jaka ili slaba sila među česticama javlja se kao rezultat izmjene drugih čestica. Čestice se međusobno “loptaju” drugim česticama. Te “lopte” nazivamo medijatorima ili prenositeljima sile. Medijatori elektromagnetske sile su fotoni (čestice svjetlosti). Za slabu silu to su W i Z-bozoni, a za jaku silu gluoni.
Mehanizam gravitacijske sile ne uklapa se, nažalost, u tu sliku izmjene čestica. Opća teorija relativnosti je geometrijska teorija gravitacije. Gravitacijska sila postoji zbog zakrivljenosti prostora, a uzrok zakrivljenosti je, naravno, masa. Iz teorije relativnosti proizašla je bliska veza najosnovnijih fizikalnih pojmova: prostora i vremena te mase i energije. Zato često koristimo objedinjene pojmove prostor-vremena i mase-energije. Preko njih opću teoriju relativnosti, kao najbolji postojeći opis gravitacije, možemo izraziti ovako: masa-energija određuje kako će se prostor-vrijeme izobličiti, a izobličeno prostor-vrijeme određuje kako će se masa-energija gibati.
Neke posljedice opće teorije relativnosti
Einsteinova opća teorija relativnosti nije tek puko proširenje Newtonovog općeg zakona gravitacije. Ona je puno više od toga. Opća teorija relativnosti ne omogućava samo precizniji račun gibanja u gravitacijskom polju nego predviđa cijeli niz potpuno novih fenomena povezanih s gravitacijom. Prve tri pojave koje su bile izvan dosega Newtonovog zakona gravitacije, a koje je opća teorija relativnosti uspješno objasnila bile su: anomalija u zakretu perihela Merkura, skretanje svjetlosti u blizini Sunca i gravitacijski pomak crvenome. To su tri klasična testa opće teorije relativnosti koje je predložio Einstein 1916. godine. U narednim godinama provedeni su brojni, sve precizniji, eksperimenti koji su pokazali izvrsno slaganje opažanja s teorijom.
Iz jednadžbe opće teorije relativnosti proizašla su, međutim, mnoga predviđanja koja su iznenadila samog Einsteina. Alexander Friedmann, ruski matematičar, pronašao je 1922. godine rješenja Einsteinove jednadžbe koja su opisivala nestatički svemir. U ono se vrijeme smatralo da je svemir statički odnosno da se ne mijenja se s vremenom. Einstein je pokušao “popraviti” stvar uvođenjem kozmološke konstante – novog člana jednadžbe koji bi omogućio statičnost svemira. No, belgijski svećenik i fizičar Georges Lemaître pokazao je, 1927. godine, da su Einsteinova statička rješenja nestabilna. Lemaître je predložio model prema kojem se svemir širi. Konačno, 1929. godine, američki astronom Edwin Hubble otkrio je širenje svemira. Bilo je to jedno od najvećih znanstvenih otkrića u povijesti i ujedno potvrda opće relativnosti. Einstein se kasnije složio s rezultatima Friedmanna i Lemaîtrea, a uvođenje kozmološke konstante nazvao je najvećom pogreškom svog života.
Jedna od posljedica opće teorije relativnosti, koja je odnedavno povezana sa svakodnevnim životom, je gravitacijsko produljenje vremena. U različitim područjima gravitacijskog polja vrijeme protječe različitom brzinom. Taj je učinak u gravitacijskom polju Zemlje mali, ali ipak mjerljiv. Opažen je više puta u eksperimentima s atomskim satovima, najpreciznijim uređajima za mjerenje vremena. Dva atomska sata, jedan u zrakoplovu a drugi na tlu, početno su sinkronizirani. Kad zrakoplov leti, visoko od tla gdje je gravitacijsko polje slabije, sat u njemu ide nešto brže u odnosu na sat na tlu. Pri povratku zrakoplova mjerljiva je vremenska razlika koja točno odgovara predviđanju relativističkog računa. Satovi na navigacijskim satelitima Navstar moraju se, primjerice, korigirati zbog gravitacijskog produljenja vremena. U protivnom, GPS (Global Positioning System), koji postaje dio svakodnevnog života, uopće ne bi funkcionirao.
Iz Einsteinove jednadžbe opće teorije relativnosti proizašli su i razni egzotični fenomeni (koji Einsteinu nisu bili nimalo dragi) poput crnih rupa, crvotočina i vremenskih strojeva. Konačno, jedna od zanimljivih posljedica opće teorije relativnosti, koja je omogućila prvo posredno opažanje gravitacijskih valova, je raspad orbita. Dvojni sustav kompaktnih objekata, recimo neutronskih zvijezda, odašilje gravitacijske valove i tako gubi energiju. Kao posljedica toga, međusobna se udaljenost smanjuje i zvijezde se na kraju stapaju stvarajući pritom crnu rupu i kratkotrajnu provalu gama-zraka.
Gravitacijski valovi
U kontekstu astročestične fizike, najvažnije predviđanje opće teorije relativnosti su gravitacijski valovi – nabori u prostor-vremenu koji se šire brzinom svjetlosti. Oni nastaju u procesima koji uključuju intenzivno gibanje velikih masa. Na primjer: kolaps središta zvijezde pri eksploziji supernove, stapanje središta dviju galaktika, stapanje dvojnog sustava kompaktnih kozmičkih objekata (neutronskih zvijezda ili crnih rupa). Ili samo orbitalno gibanje objekata s velikom masom: dvojni sustav neutronskih zvijezda ili dvije galaktike u interakciji.
Gravitacijski valovi mogu se shvatiti i kao koherentna stanja ogromnog mnoštva gravitona. Gravitoni su hipotetske čestice, medijatori gravitacijske sile. Detekcija pojedinačnog gravitona, čini se, izvan je dometa bilo kakvog zamislivog eksperimenta. Premda postojeći i budući eksperimenti za detekciju gravitacijskih valova ne mogu detektirati pojedinačne gravitone ipak mogu donijeti informacije o nekim njihovim svojstvima. Na primjer, ako bi se opaženi gravitacijski valovi širili brzinom manjom od brzine svjetlosti u vakuumu to bi značilo da gravitoni imaju masu.
Kao što smo već spomenuli, prva posredna detekcija gravitacijskih valova opažena je kroz raspad orbita, odnosno smanjenje orbitalnog perioda, dvojnog sustava neutronskih zvijezda. Pulsar (brzorotirajuću neutronsku zvijezdu) PSR B1913+16 u dvojnom sustavu otkrili su 1974. godine Russell Alan Hulse i Joseph Hooton Taylor, obojica sa sveučilišta Princeton. Te zvijezde kruže jedna oko druge s periodom od 7.75 sati. Zahvaljujući pravilnoj pulsaciji (koja je točnija od atomskog sata) može se opaziti sićušno, ali trajno smanjivanje orbitalnog perioda od 76.5 mikrosekundi na godinu. Tom smanjivanju perioda odgovara smanjivanje orbite od 3.5 metra na godinu. Toliko se neutronske zvijezde približe jedna drugoj za godinu dana. Nakon 300 milijuna godina dvije će zvijezde konačno pasti jedna na drugu pri čemu će nastati crna rupa i kratkotrajna snažna provala gama-zraka (engl. gamma ray burst). Relativistički račun raspada orbita savršeno se slaže s mjerenjima. Taylor i Hulse za to su otkriće dobili Nobelovu nagradu 1993. godine.
Gravitacijski valovi koji dođu do Zemlje iznimno su slabi. Stoga njihova neposredna detekcija zahtijeva vrlo domišljate metode opažanja i nevjerojatno osjetljive detektore. Usporedno se razvijaju dva tipa uređaja za detekciju gravitacijskih valova: zemaljski i svemirski. Oba se temelje na istom principu – interferenciji laserskih snopova čime se mogu opaziti vrlo mali periodični pomaci masivnih tijela. Zemaljski i svemirski detektori gravitacijskih valova su komplementarni što znači da pokrivaju različita frekvencijska područja. To opet znači da su im dostupne i različite vrste fenomena pri kojima nastaju gravitacijski valovi.
Detektori gravitacijskih valova
Tehniku koji astronomi koriste kako bi opazili mala rastezanja prostor-vremena, uzrokovana gravitacijskim valovima, nazivamo interferometrijom. Svi detektori gravitacijskih valova, i zemaljski i svemirski, zapravo su interferometri. Takvi se uređaju sastoje od dviju probnih, jako razmaknutih masivnih tijela i lasera kojim se neprekidno mjeri njihova međusobna udaljenost. Masivna tijela mogu se slobodno gibati pa se pri prolasku gravitacijskog vala očekuje mala, ali opaziva, periodična promjena udaljenosti. Što je međusobna udaljenost probnih masa veća to je veća i osjetljivost instrumenta na male pomake. Postoji nekoliko zemaljskih detektora gravitacijskih valova koji već rade ili su u izgradnji: američki LIGO, talijanski i francuski VIRGO, njemački i britanski GEO 600 te japanski TAMA 300. Također, NASA priprema svemirski opservatorij gravitacijskih valova LISA.
Trenutno najosjetljiviji detektor gravitacijskih valova je LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory). LIGO se sastoji od dva opservatorija, međusobno udaljena 3000 km: jedan je u Livingstonu (američka država Louisiana), a drugi u Richlandu (američka država Washington). Svaki opservatorij ima po dvije dugačke vakuumske cijevi, promjera 1 m i duljine 4 km, kroz koje prolazi laserski snop. Cijevi međusobno stoje pod kutom od 90 stupnjeva, kao slovo L, a na njihovim krajevima nalaze se probne mase. Prolazak gravitacijskog vala trebao bi sićušno približiti mase jednog kraka te istovremeno sićušno rastegnuti mase drugog kraka. Za najintenzivniji gravitacijski val produljenje bi trebalo biti nezamislivih 10−18 metara (tisuću puta manje od promjera atomske jezgre).
Rad na opservatoriju LIGO započet je 1992. godine, a prva opažanja krenula su 2002. godine. Osim detektora LIGO postoje i drugi detektori gravitacijskih valova: VIRGO, GEO 600 i TAMA 300. Njihova izgradnja počela je sredinom 1990-ih godina. VIRGO se sastoji od dva okomita kraka dugačka 3 km. No, laserska zraka prolazi višestruke refleksije pa je efektivna duljina svakog kraka zapravo 120 km. VIRGO je počeo s radom 2007. godine. GEO 600 i TAMA 300 su manji detektori gravitacijskih valova, čiji su krakovi duljina 600 m odnosno 300 m. Osim po osjetljivosti svi se ovi detektori djelomično razlikuju i po području frekvencija koje mogu opažati.
Konačno, LISA (Laser Interferometer Space Antenna) će biti prvi svemirski detektor gravitacijskih valova. Projekt LISA zajednički pripremaju ESA i NASA, a lansiranje se očekuje između 2018. i 2020. godine. Taj svemirski opservatorij sastojat će se od tri letjelice, međusobno udaljene 5 milijuna kilometara što odgovara 13 udaljenosti od Zemlje do Mjeseca. Kad gravitacijski val napravi poremećaj prostor-vremena između dviju letjelica opazit će se promjena udaljenosti metodom laserske interferometrije. Zemaljski detektori gravitacijskih valova osjetljivi su u području viših frekvencija što odgovara prijelaznim fenomenima kao što su eksplozije supernova i zadnji trenuci prije stapanja dvojnog sustava neutronskih zvijezda. S druge strane, svemirski detektor gravitacijskih valova bit će osjetljiv u području nižih frekvencija što odgovara drugoj vrsti fenomena: dvojnim sustavima neutronskih zvijezda u fazi puno prije stapanja te dvojnim sustavima supermasivnih crnih rupa u zadnjim mjesecima prije stapanja.
Neposredno opažanje gravitacijskih valova pomoći će fizičarima da razumiju neke od najtemeljnijih zakona fizike. Također, omogućit će važne spoznaje o dramatičnim događajima u svemiru: smrti zvijezda i rađanju crnih rupa. Svemirski detektori gravitacijskih valova donijet će nove informacije o prirodi prostor vremena te o razvoju svemira neposredno nakon Velikog praska. Tako ćemo bolje razumjeti sam postanak svemira, njegov razvoj i budućnost.