Rođenje novih astronomija i smrt alternativnih teorija gravitacije

— Objavljeno 13/11/2017 / Bug.hr.

Nakon pete izravne detekcije gravitacijskih valova možemo pouzdano reći da smo svjedoci rođenja jedne nove astronomije – astronomije gravitacijskih valova. Naime, o astronomiji ima smisla govoriti tek kad postoje njezini izvori, kad su locirani kozmički objekti iz kojih dolaze nositelji informacija. No peta detekcija, poznata i kao događaj GW170817, ima puno veću važnost od prethodne četiri. GW170817 je nastao stapanjem dviju neutronskih zvijezda, a ne crnih rupa. Kod stapanja neutronskih zvijezda emitiraju se, osim gravitacijskih valova, i elektromagnetski valovi. Dio tih elektromagnetskih valova najviših energija iz GW170817, koji nazivamo visokoenergijskim gama-zračenjem, opažen je gotovo istodobno s gravitacijskim valovima. A to je u astronomiji povijesni događaj kojim se etablira područje kojega izvorno nazivamo “multi-messenger astronomy”, što bi značilo astronomija više glasnika. Osim toga, GW170817 je uvjerljivo pokazao da dio alternativnih teorija gravitacije – poznatih pod nazivom MOND, kojima je cilj bio eliminirati hipotezu tamne tvari – naprosto ne drži vodu. Potvrde su toliko jake da cijelu jednu klasu teorija MOND možemo smatrati službeno mrtvima.

GW170817

Događaj GW170817 je signal gravitacijskih valova koji su 17. kolovoza 2017. opazili detektori LIGO i Virgo. Prema konvenciji o nazivima prvi par znakova dolazi od Gravitational Wave, drugi par je godina, treći mjesec, a četvrti par znakova je dan. Da je isti dan opaženo više različitih događaja tog tipa, razlikovali bi ih po slovu na kraju naziva, npr. GW170817A, GW170817B, GW170817C. Za razliku od prethodne četiri detekcije gravitacijskih valova, GW170817 nije nastao stapanjem velikih crnih rupa nego stapanjem dviju neutronskih zvijezda. Zato su emitirani i elektromagnetski valovi u različitim dijelovima spektra koji su, također, opaženi na Zemlji. Gotovo istodobno s gravitacijskim valovima emitirana je kratkotrajna provala gama-zračenje visokih energija (engleski Gamma-Ray Burst ili GRB). Nju su opazili detektori na satelitima Fermi i INTEGRAL samo 1,7 sekundi nakon što je završio signal gravitacijskih valova. Taj događaj nazvan je GRB 170817A. U optičkom području signal je došao nekih 11 sati kasnije. Ova kašnjenja nisu rezultat duljeg putovanja istodobno emitiranih signala, nego su rezultat emisije koja se naprosto dogodila kasnije, posve u skladu s teorijskim modelima stapanja neutronskih zvijezdi.

Zanimljivo je još spomenuti da GW170817 potječe iz izvora koji je daleko najbliži od svih pet dosad detektiranih izvora gravitacijskih valova. Deset je puta bliži od idućeg po redu najbližeg izvora. Konkretno, nalazi se u galaksiji NGC 4993 (koja je pak smještena u zviježđu Hidra) udaljenoj od nas 130 milijuna svjetlosnih godina. Za usporedbu, Sunce je udaljeno osam svjetlosnih minuta pa vidimo svjetlost koja je s njega emitirana prije osam minuta. Dakle, stapanje dviju neutronskih zvijezda koje je na Zemlji opaženo 17. kolovoza 2017. nije se dogodilo 17. kolovoza 2017. nego nekih 130 milijuna godina ranije. Na Zemlji tad nije bilo ni detektora gravitacijskih valova ni ljudi koji bi razmišljali o svemiru. Nisu se još bili pojavili ni prvi majmuni, tek prvi sisavci. Bilo je to doba gmazova. Zemlja je bila puna divovskih paprati, kukaca i raznih dinosaura. Majmune, dinosaure i paprat nisam mogao ne spomenuti nakon što sam nedavno pročitao, u komentarima ispod jednog članka na drugom portalu, kako je jasno da ću u svojim tekstovima "prodavat priču kako je čovik nasta od majmuna, a nafta od krepanih dinosaura i gnjile paprati".

Astronomija više glasnika

Od svojeg prvog teksta na ovu temu, objavljenog u Matematičko-fizičkom listu 2005. godine, do zadnjeg, objavljenog u Novostima prije mjesec dana, najavljivao sam kako će astronomija gravitacijskih valova u kombinaciji s drugim astronomijama omogućiti nove i važne spoznaje o svemiru. Evo konačno prvih spoznaja. Dva važna zaključka koja su proizašla iz kombiniranog pristupa (engleski multimessenger approach) astronomije gravitacijskih valova i visokoenergijske gama-astronomije su: (1) potvrda, na velikoj, skali Einsteinovog slabog načela ekvivalencije i (2) odbacivanje jedne klase alternativnih teorija gravitacije. Konkretno, spomenuti događaj GW170817 (detekcija gravitacijskih valova nastalih stapanjem neutronskih zvijezda u galaksiji NGC 4993) u kombinaciji s događajem GRB 170817A (detekcija provale gama-zraka iz istog izvora) pokazao je da su gravitacijski i elektromagnetski signal došli praktički istodobno. To je iznimno važan rezultat.

Potvrda Einsteinovog slabog načela ekvivalencije

Načelo ekvivalencije je polazna postavka na kojoj je izgrađena Einsteinova opća teorija relativnosti. Vrlo grubo rečeno radi se o jednakosti (ekvivalenciji) gravitacije i ubrzanja. Konkretno, ako ste u zatvorenoj kabini lifta (zatvorenoj znači da su vam nedostupne informacije izvana) koja miruje na površini Zemlje, to je ekvivalentno situciji da ste u istoj kabini koja ubrzava s 9,8 m/s2 negdje u svemiru daleko od masivnih tijela (drugim riječima, gdje je gravitacija zanemariva). Ili, ako ste u zatvorenoj kabini lifta koja slobodno pada prema površini Zemlje, to je ekvivalentno situciji da ste u istoj kabini koja miruje negdje u svemiru daleko od masivnih tijela. Nikakvim eksperimentom nećete moći razlikovati te situacije. Učinci gravitacije i ubrzanja su potpuno isti. Načelo ekvivalencije može se formulirati konkretnije i općenitije tj. u slaboj i jakoj formi. Osim toga, načelo se može vrlo precizno matematički izraziti. Neću ovdje ulaziti u te detalje, no mogu reći da se slabo načelo ekvivalencije može izraziti preko putanje po kojoj će se gibati čestice u slobodnom padu. Skroz konkretno, ako vrijedi slabo načelo ekvivalencijeonda će se graviton (čestica gravitacijskog zračenja) i foton (čestica elektromagnetskog zračenja) od galaksije NGC 4993 do Zemlje gibati po istoj putanji. S obzirom da se gibaju istom brzinom – brzinom svjetlosti – onda će doći u isto vrijeme. Preskočio sam matematičke detalje, ali zaključaj je krajnje jednostavan. Elektromagnetski signal neće kasniti za gravitacijskim signalom, što je i opaženo.

MOND je mrtav, živio Einstein!

Ideja tamne tvari, kojom se pokušava odgovoriti na jedno od ključnih pitanja današnje fizike, mnogima ide na živce. Takvi bi skakali od veselja kad bi se pokazalo da tamne zapravo tvari nema. Doduše, pojava zbog kojih je uvedena ideja tamne tvari itekako ima, to nitko ne osporava. No, moguće je da ih možemo nekako drukčije objasniti, bez uvođenja ideje tamne tvari. Jedna zanimljiva mogućnost je ta da najbolja teorija gravitacije koju trenutačno imamo – Einsteinova opća teorija relativnosti – možda nije dovoljno dobra u nekim fizičkim situacijama. Zato dio teorijskih fizičara koji se bave gravitacijom već dulje vrijeme pokušava razviti neku alternativnu teoriju gravitacije. Zajednički naziv za takve teorije je MOdificirana Newtonova Dinamika (MOND). I sad konačno poanta priče: jedna klasa teorija MOND predviđa kašnjenje elektromagnetskog signala u odnosu na gravitacijski signal. Pa to je i viđeno, zar ne? Spomenuli smo da je elektromagnetski signal opažen 1,7 s nakon završetka signala gravitacijskog vala. Onda je to potvrda MOND-a, a propast opće teorije relativnosti. Nije! MOND zapravo predviđa da elektromagnetski signal, u odnosu na gravitacijski, kasni otprilike 1000 dana. Skoro tri godine, a ne tri sekunde. Razlika je enormna. Slikovito rečeno: MOND je mrtav, a Einstein ostaje na tronu.