V tej objavi na blogu raziskujemo znanstveni pomen in nove možnosti, ki jih je prineslo prvo neposredno zaznavanje gravitacijskih valov s strani človeštva, ter preučujemo, kako je to spremenilo sodobno fiziko in način opazovanja vesolja.
Nobelovo nagrado za fiziko za leto 2017 so prejeli trije ameriški fiziki – Kip Thorne, Rainer Weiss in Barry Barish – ki so odigrali odločilno vlogo pri odkrivanju gravitacijskih valov. Priznanje za njihov dosežek pri uspešnem neposrednem zaznavanju gravitacijskih valov so prejeli februarja 2016 na LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Kaj torej točno so gravitacijski valovi in zakaj je potrditev njihovega obstoja dovolj pomembna, da si zasluži Nobelovo nagrado za fiziko? Da bi to razumeli, si najprej oglejmo koncept gravitacijskih valov.
Koncept "gravitacijskih valov" obstaja že več kot stoletje. Albert Einstein jih je prvič napovedal leta 1916 s svojo splošno teorijo relativnosti. Po tej teoriji objekti z maso ukrivljajo prostor-čas, gravitacija pa je pojav, ki izhaja iz tega ukrivljanja. Poleg tega pospešeni objekti povzročajo valovanje tega ukrivljenega prostor-časa, ti valovi pa se širijo navzven kot valovi s svetlobno hitrostjo. To so gravitacijski valovi. Ko gravitacijski val prehaja skozi, se sam prostor popači, razteza se v eno smer in krči v drugo.
Vendar pa je popačenje prostora, ki ga povzročajo gravitacijski valovi, izjemno majhno, zaradi česar jih v normalnih okoliščinah ni mogoče zaznati. Nastajajo le v znatnih ravneh med ogromnimi kozmičnimi dogodki, kot sta trk dveh črnih lukenj ali eksplozija supernove, vendar je tudi takrat signal izjemno šibek. Trenutni detektorji gravitacijskih valov merijo spremembo v tem, koliko se je prostor raztegnil. Motnja, ki jo je ustvaril gravitacijski val, ki ga je tokrat zaznal LIGO, je prostor raztegnila in skrčila le za približno 10⁻²¹-krat. Za merjenje te majhne spremembe je treba dolžino izmeriti z natančnostjo, manjšo od tisočinke polmera nevtrona, znotraj detektorja, dolgega približno 5 km. To je bilo praktično nemogoče. Zato pred LIGO ni bilo mogoče neposredno zaznati gravitacijskih valov; o njihovem obstoju je bilo mogoče sklepati le posredno.
Kako je torej LIGO uspelo neposredno zaznati te drobne spremembe dolžine? Z drugimi besedami, kako je mogoče opazovati gravitacijske valove? LIGO v osnovi uporablja načelo interferometra. Interferometer je instrument, ki izkorišča pojav interference svetlobe za merjenje sprememb razdalje na ultra natančni ravni. Da bi to razumeli, si najprej poglejmo interferenco valov.
Valovi so podobni valovanju. Ko se srečata dva vala iste oblike, se njuna amplituda bodisi poveča (konstruktivna interferenca) bodisi zmanjša (destruktivna interferenca), odvisno od tega, kako se prekrivata. Če oba vala prispeta z isto fazo, pride do konstruktivne interference. Če pa en val prispe kasneje, zaradi česar sta združena valova izven faze, pride do destruktivne interference. Tako časovna razlika v prihodu dveh valov povzroči spremembo amplitude združenega vala in to je pojav interference.
Ker je svetloba tudi val, pride do interference, ko se dva svetlobna vala združita. Zato nam analiza amplitude združenega vala omogoča, da izračunamo časovno razliko v prihodu med obema svetlobnima valoma, kar je enakovredno izračunu razlike v razdalji. To je zato, ker če dva svetlobna žarka odideta hkrati, večja kot je razdalja, večja je razlika v času prihoda.
LIGO temelji na 'Michelsonovem interferometru', enem od tovrstnih interferometrov. Michelsonov interferometer je tudi zgodovinsko pomembna eksperimentalna naprava, zlasti v Michelson-Morleyjevem poskusu. Ta poskus je pokazal, da je hitrost svetlobe neodvisna od smeri in da svetloba za širjenje ne potrebuje ločenega medija.
Michelsonov interferometer deluje na naslednjem principu. Svetloba iz enega vira se s centralno nameščenim delilnikom žarka (naprava, ki prepušča polovico svetlobe in odbija drugo polovico) razdeli na dva žarka. Žarka se odbijeta od ogledal, nameščenih na fiksnih razdaljah, nato pa se ponovno združita in tvorita interferenčni vzorec. Če bi se hitrost svetlobe spreminjala glede na smer, bi se čas, potreben za ponovno združitev obeh razdeljenih žarkov, razlikoval, kar bi povzročilo spremembo interferenčnega vzorca. Michelson-Morleyjev poskus je napovedal takšno spremembo interferenčnega vzorca, vendar ni bilo opaziti nobene spremembe, kar je privedlo do zaključka, da je hitrost svetlobe konstantna. To dejstvo je kasneje Einsteinu dalo ključne namige za oblikovanje njegove teorije relativnosti.
LIGO je v bistvu obsežna razširitev tega Michelsonovega interferometra. Razdalja med delilnikom žarka LIGO in njegovim odbojnim zrcalom doseže približno 4 km. Vendar pa ta razdalja sama po sebi ni bila zadostna za zanesljivo zaznavanje gravitacijskih valov, zato je LIGO vključil 'Fabry-Pérotovo cev'. Ta tehnika odbije svetlobo približno 400-krat znotraj 4 kilometre dolge cevi, kar dejansko ustvari dolžino poti 1,600 kilometrov. To omogoča natančnejše merjenje drobnih sprememb razdalje. Zahvaljujoč tej dovršeni tehnološki kombinaciji je LIGO 14. septembra 2015 prvič uspelo neposredno opazovati gravitacijske valove, ki nastanejo ob trku dveh črnih lukenj.
Zakaj je torej odkritje gravitacijskih valov tako monumentalen dogodek? Prvič, njegov pomen je v tem, da ponovno neposredno potrdi Einsteinovo teorijo relativnosti. Obstoj gravitacijskih valov, ki jih napoveduje relativnost, je bil eksperimentalno potrjen. Toda njihova večja vrednost je drugje. Pomeni, da je človeštvo pridobilo povsem novo orodje za opazovanje vesolja. Ta sprememba je primerljiva s trenutkom, ko je človeštvo prvič ustvarilo teleskop. Do sedaj se je astronomija za opazovanje nebesnih objektov zanašala izključno na svetlobo – torej na elektromagnetne valove. Toda z uveljavitvijo gravitacijskih valov kot novega opazovalnega orodja se je končno odprlo področje, ki je bilo elektromagnetnim valovom prej nedostopno.
Na primer, pri eksplozijah supernov še nikoli nismo mogli neposredno opazovati, kaj se dogaja v njihovih jedrih. To je zato, ker ogromna plast snovi, ki obdaja jedro supernove, preprečuje prehod svetlobe. Gravitacijski valovi pa prehajajo skozi snov z minimalnimi motnjami, kar nam omogoča, da ujamemo pojave, ki se odvijajo globoko v nebesnih telesih.
Človeštvo zdaj stoji na pragu nove dobe, imenovane »astronomija gravitacijskih valov«. Gravitacijski valovi nam bodo ponudili povsem nov pogled na vesolje, ki nam bo omogočil, da odkrijemo skrivnosti različnih nebesnih teles in naredimo korak bližje razumevanju izvora vesolja. Z nestrpnostjo pričakujemo, do kakšnih odkritij bodo ta opazovanja pripeljala, in upamo, da bodo raziskave gravitacijskih valov še razširile človeško razumevanje vesolja.
