— Objavljeno 01/06/2006 / Matematičko-fizički list 4/224 (2005. – 2006.).
Pročitavši nedavno staru indijsku priču o slijepcima i slonu uočio sam zgodnu analogiju s kombiniranim pristupom u astronomiji (engl. multimessenger approach). Za razliku od slijepaca iz priče, astronomi su danas svjesni da svoje različite poglede u nebo moraju ujediniti kako bi dobili širu sliku i bolje razumjeli ono što opažaju.
Sama ideja nije nova. Čim se pojavila radioastronomija, u prvoj polovici prošlog stoljeća, astronomi su počeli kombinirati podatke dobivene radioteleskopima s podacima dobivenim optičkim teleskopima. To je kasnije dovelo do otkrića pulsara (brzorotirajućih neutronskih zvijezda) i kvazara (izuzetno sjajnih središta najudaljenijih galaksija s aktivnim supermasivnim crnim rupama). Promatranje istih objekata u samo dva različita dijela elektromagnetskog spektra (vidljivom području i radiopodručju) pokazalo je da svemir nije SVE+MIR, nego je dinamično područje u kojem dominiraju najdramatičniji događaji.
Drugom polovicom prošlog stoljeća, opažanje fotona iz svemira proširilo se na cijeli elektromagnetski spektar. Istovremena opažanja na različitim valnim duljinama (engl. multiwavelength campaign) postala su uobičajena među astronomima. Tako se npr. opažanja blazara (jedne vrste kvazara) često unaprijed dogovaraju u radiopodručju, optičkom području, X-području i visokoenergijskom gama-području.
Sljedeći korak, na koji se astronomi i astrofizičari zadnjih godina pripremaju, kombiniranje je opažanja u elektromagnetskom području (fotona kao prenositelja informacija) s opažanjima drugih vrsta prenositelja informacija − astrofizičkim neutrinima te gravitacijskim valovima.
Neutrinska astronomija
Neutrino je neutralna elementarna čestica vrlo male mase koja izuzetno slabo međudjeluje s okolinom. Bez teškoće može proći kroz cijelu Zemlju pa čak i kroz cijelu zvijezdu poput Sunca. Stoga je neutrine jako teško opažati. Ipak, fizičari su domišljatim eksperimentima uspjeli detektirati pojedinačne neutrine zahvaljujući detektorima velike gustoće ili pak vrlo velikog obujma. Zbog mogućnosti da s lakoćom prolaze kroz zvijezde, neutrini su brzo prepoznati kao potencijalni prenositelji astrofizičkih informacija. Npr. nuklearne reakcije fuzije u Suncu snažan su izvor neutrina. Za detekciju kozmičkih neutrina sa Sunca (solarnih neutrina), Davis i Koshiba dobili su 2002. godine Nobelovu nagradu.
Prijelomni događaj u području detekcije izvanzemaljskih neutrina zbio se 1987. godine kad su detektorom Kamiokande opaženi neutrini nastali u eksploziji supernove SN1987A. Posebno je zanimljiva mogućnost detekcije izvangalaktičkh neutrina. Za tu svrhu potrebni su detektori obujma kubičnog kilometra koje je moguće ostvariti korištenjem npr. polarnog leda. Dva najpoznatija takva detektora, koji se nazivaju i neutrinskim teleskopima, su AMANDA i IceCube.
AMANDA je neutrinski teleskop smješten na Južnom polu. Sastoji se od 19 nizova s više od 700 optičkih detektora koji su spušteni u antartički led na dubine od 1500 m do 1900 m. Ti detektori opažaju Čerenkovljevu svjetlost koja nastaje prolaskom visokoenergijskih miona kroz led. Mioni su elementarne čestice (“teški” elektroni) koje nastaju kad neki od neutrina uspije izazvati reakciju s atomskom jezgarom kisika ili vodika. AMANDA je počela s opažanjima još 1996. godine i detektirala tisuće neutrina, no njezina je osjetljivost još uvijek premala da bi se pouzdano mogli vidjeti pojedinačni astrofizički izvori.
IceCube je nasljednik eksperimenta AMANDA i bit će smješten na istoj lokaciji na Južnom polu. Prvi niz optičkih modula već je položen prošle godine. Osjetljivost IceCubea bit će znatno bolja od osjetljivosti neutrinskog teleskopa AMANDA tako da se očekuje opažanje pojedinačnih izvora kozmičkih neutrina. Kad dobije svoje prve izvore, neutrinska astronomija postat će priznata grana astronomije.
Detekcija gravitacijskih valova
Gravitacijski valovi su poremećaji u zakrivljenosti prostor-vremena i šire se poput elektromagnetskih valova. Uzrokuje ih snažno gibanje velikih masa ili naglo oslobađanje velikih količina energije. Predviđeni su Einsteinovom općom teorijom relativnosti, ali ih je izuzetno teško direktno opaziti. Detekcija gravitacijskog zračenja još je veći eksperimentalni izazov od opažanja neutrina.
Iako gravitacijski valovi još nisu opaženi neposredno, nađen je važan posredni dokaz njihovog postojanja: u dvojnom sustavu pulsara PSR B1913+16 postoji malo, ali trajno smanjivanje perioda rotacije. Razlog za to gubitak je energije koji točno odgovara energiji odaslanog gravitacijskog zračenja. Za otkriće ovog dvojnog pulsara i posrednu detekciju gravitacijskih valova, Hulse i Taylor dobili su 1993. godine Nobelovu nagradu.
Neposredno opažanje gravitacijskih valova svodi se na opažanje sitnih relativnih pomaka između dva tijela. Ako dvije promatrane mase postavimo na udaljenost od nekoliko kilometara očekivani pomak uzrokovan gravitacijskim valovima manji je od veličine atoma (10−10 m) ili čak manji od veličine atomske jezgre (10−15 m). S obzirom da su ti pomaci sitniji od termičkog gibanja prisutnog u tvari, detekcijske tehnike uključuju hlađenje uređaja na vrlo niske temperature (čime se smanjuje termičko gibanje) ili princip interferometrije (precizne laserske zrake koje prolaze dugačake putove i na kraju međudjeluju što omogućuje izuzetno precizna mjerenja). Fizičari pripremaju nekoliko velikih eksperimenata za direktnu detekciju gravitacijskih valova. Najpoznatiji među njima su LIGO i LISA.
LIGO je interferometar smješten na površini Zemlje. Sastoji se od dva opservatorija međusobno udaljena više od 3000 km. Svaki opservatorij ima dva kraka, u obliku slova L, dugačka četiri kilometra. Prva mjerenja napravljena su krajem 2002, no pokazalo se da je osjetljivost uređaja premala čak i za najsnažnije izvore gravitacijskog zračenja. Opažačke tehnike razvijene za LIGO poslužit će za razvoj iduće generacije interferometara sa znatno boljom osjetljivošću.
LISA je interferometar koji će biti smješten u orbitu oko Sunca. Sastojat će se od tri neovisne svemirske letjelice međusobno udaljene pet milijuna kilometara. Razvoj detektora LISA već je počeo i lansiranje se planira za 2015. godinu. Očekuje se da će LISA moći opaziti tisuće galaktičkih izvora (npr. sudare dviju neutronskih zvijezda) i neke izvangalaktičke izvore (stapanje supermasivnih crnih rupa).
Primjer: sudar neutronskih zvijezda
Dvojni sustav bliskih kompaktnih kozmičkih objekata izvrstan je primjer za primjenu kombiniranog pristupa u astronomiji. Takav sustav tipičan je galaktički izvor gravitacijskih valova, a u svojoj završnoj fazi snažan je izvor neutrina i visokoenergijskog gama-zračenja.
Najčešći primjer takvog sustava dvije su bliske neutronske zvijezde koje kruže jedna oko druge. Izuzetno dinamično gibanje velikih masa u relativno malom prostoru uzrokuje periodična izobličenja prostor-vremena, odnosno emisiju gravitacijskih valova. Gravitacijski valovi pomalo odnose energiju iz sustava pa se neutronske zvijezde međusobno približavaju i zapravo spiralno padaju jedna na drugu. Konačni ishod je sudar u kojem se dvije neutronske zvijezda stapaju stvarajući pritom crnu rupu. U toj završnoj fazi nastaje izuzetno snažna provala gama-zračenja (engl. gamma ray burst, GRB) pri čemu se javlja i intenzivna emisija visokoenergijskih neutrina.
I za kraj evo slikovitog primjera da sve navedeno nije priča o dalekoj budućnosti astronomije nego priča koja je već počela. U zadnjem broju prošlog godišta Matematičko-fizičkog lista objavljen je zanimljiv tekst o provalama gama-zračenja. Od 1967. godine, kad su prvi put otkrivene, provale gama-zračenja opisivane su kao tajanstvene. Pod tim se smatra da nije poznato kako nastaju. Trideset godina kasnije, 1997. godine, objašnjena je jedna vrsta provala gama-zračenja, tzv. dugotrajne provale (duže od dvije sekunde). Njihov izvor su snažne eksplozije jedne vrste supernova. Druga vrsta provala gama-zračenja, tzv. kratkotrajne provale (kraće od dvije sekunde), ostala je neobjašnjena do nedavno. Još na početku ove školske godine, u rujnu 2005. moglo se kratkotrajne provale gama-zračenja karakterizirati kao tajanstvene. No, u listopadu 2005. objavljeno je otkriće kako nastaju kratkotrajne provale gama-zračenja − stapanjem dvojnog sustava neutronskih zvijezda ili kratko rečeno sudarom neutronskih zvijezda.