Piše: Doc. dr  Anđelka Kovačević

Sa  stanovišta     savremenog    posmatrača, vraćajući se u istoriju,  možemo da kažemo da je astronomija kao nauka izučavala fotone koji su do posmatrača dolazili iz svih pravaca nebeskog svoda. Posmatrajući samo fotone u vidljivom delu spektra tj. fotone koje može detektovati mrežnjača ljudskog oka, astronomi ranih civilizacija su prikupljali dosta posmatračkih podataka i prepoznavali njihov značaj. Konstrukcija prvog teleskopa početkom 17. veka omogućila je, dakle, prikupljanje mnogo većeg broja fotona, a to je omogućilo da se detektuju nebeski objekti koje ljudsko oko nije moglo registrovati.

U XX veku doživeli smo eksploziju u prikupljanju astronomskih informacija: konvencionalna astronomija je prikupljala fotone u rasponu od 60 oktava fotonske frekvencije, od 104 cm (veoma dugi radio talasi, malih energija) do 10-14 cm   (gama zraci, čija se energija – masa meri u  GeV (milijarda eV); u klasičnoj fizici elektron volt (eV) je jedinica za energiju, 1 eV=1.60217653f10-19 J, a zbog ekvivalencije mase i energije, u fizici čestica se koristi i kao jedinica za masu). Ovaj iskorak u tako širok raspon fotonskih frekvencija je doveo do otkrića izuzetno značajnih astrofizičkih fenomena kao što su pulsari i gama bljeskovi (gamma ray bursts).

Istovremeno, detektovanje čestica koje nisu fotoni otvara novi prozor ka Univerzumu. Otkriće kosmičkog zračenja 1912. godine je bio jedan od prvih koraka tog vida. Kosmički zraci su naelektrisane čestice – protoni, elektroni i atomska jezgra – i svi oni potiču od kosmičkih izvora. Proučavanje kosmičkog zračenja omogućilo je da se dobije mnogo bolji uvid u astrofizičke procese kao što su evolucija galaktičkog magnetskog polja i ubrzanje čestica u ostacima eksplozija supernovih. Osim toga, kosmički zraci visokih energija koji prolaze kroz Zemljinu atmosferu su, zapravo, prirodni akceleratori – generatori sudara čestica, pa su tako otkriveni i pozitroni i mioni i pioni. Astrofizičko poreklo i mehanizmi ubrzavanja kosmičkih zraka najviših energija su i danas jedno od vodećih pitanja u astrofizici čestica.

Savremena astronomija se kreće u pravcu izučavanja mogućnosti eksploatacije gama zraka, gravitacionih talasa, neutrina i protona veoma visokih energija kao nosioca astronomskih informacija.

Mnogi očekuju dramatičnu transformaciju u našem znanju o Kosmosu ukoliko uspemo da direktno detektujemo gravitacione talase. Ova nova nauka donela bi kvalitativan skok u istraživanju dubokog Univerzuma: kao kad bismo, po prvi put, dodali zvuk na elektromagnetnu sliku Univerzuma, koja ima bogatu, ali bezvučnu, teksturu .

Ajnštajnova teorija prostor-vremena i gravitacije, odnosno opšta teorija relativnosti, predviđa da kretanje mase stvara vibracije koje putuju kroz prostor-vreme brzinom svetlosti. Pretpostavka je da ovi, gravitacioni talasi (vibracije su tako nazvane!) nastaju u Univerzumu, prolaze kroz materiju, od Big Bang-a pa sve do horizonta događaja crnih rupa; nažalost, još uvek nisu direktno detektovani.

Njihovo direktno merenje otvorilo bi novu dimenziju istraživanja dešavanja u Univerzumu: umesto posmatranja prostiranja i transformacije konvencionalnih čestica i polja u prostor-vremenu, kao što je celokupna nauka radila do sada, direktno bismo osetili vibracije tkanja prostor-vremena, prouzrokovane kretanjem daleke materije. Proučavanje takve, nove forme energije obezbedilo bi i nove informacije o ponašanju, strukturi i istoriji fizičkog univerzuma ali i promene u zasnivanju i same fizike.

Jasno je da sve to postaje realnost i da se takva, nova nauka može dogoditi zahvaljujući razvoju tehničkih mogućnosti detekcije. Slično je bilo i kada su teleskopi i mikroskopi svojevremeno otvorili nova polja istraživanja.

Na koji način bismo mogli opisati pojam gravitacionih talasa. Sa geometrijskog stanovišta (jer gravitacija je geometrija), ako je analogon gravitacionog polja zakrivljenost, tada su promene u gravitacionom polju analogne promeni u zakrivljenosti prostor-vremena. Kada se te promene kreću kroz prostor-vreme, one se zovu gravitacioni talasi. Kao i talasi koje do sada poznajemo, tako i gravitacioni talasi imaju amplitudu (obično se označava h) talasnu dužinu (l), frekvenciju (f), koje su povezane sa brzinom njihovog prostiranja c (to je brzina svetlosti), pri čemu važi da je c=lf .

Teorija predviđa da gravitacioni talasi po svojoj prirodi treba da budu transverzalni, da se prostiru brzinom svetlosti i da imaju dva polarizaciona stanja (plus i puta (proizvod) polarizaciju, h+ i hx).

Razmotrimo sledeći misaoni eksperiment: šta bi se dogodilo ako bi gravitacioni talasi naišli u pravcu normalnom na ravan koju definišu čestice uređene u prsten poluprečnika L?

Kako talas perioda 2 P prolazi, na ¼ perioda (P/2) prsten se deformiše u elipsu čija je velika poluosa L+δL; na polovini perioda je opet prsten, na 3/4 perioda ( 3P/2) je ponovo elipsa ali rotirana za 90 stepeni i na kraju perioda (2P) to je ponovo prsten kao što je prikazano na slici:

Sledeće pitanje na koje prirodno nailazimo je: na koji način bi se gravitacioni talasi mogli detektovati?

Za takav poduhvat neophodno je razviti postupak za merenje zakrivljenosti prostor-vremena. Zamislimo da dva posmatrača, koji se nalaze u esenciajalno ravnom prostor-vremenu, šalju svetlosne signale jedan drugom i mere vreme koje je potrebno tom signalu da pređe rastojanje među njima. Tako izmereno vreme je mera pravog rastojanja među posmatračima. Ako nailazi gravitacioni talas (poput talasa na moru), on će izmeniti rezultat njihovog merenja. Nezavisno od posmatrača, gravitacioni talas je izmenio zakrivljenost prostor-vremena pa će fotonima, u odnosu na prethodni eksperiment, biti potrebno različito vreme da stignu do njih.

Navedeni eksperiment je u suštini funkcionalno sličan eksperimentu sa interferometrima koji su konstruisani za detekciju gravitacionih talasa. Za razliku od pomenutog misaonog eksperimenta, interferometri upoređuju rastojanja izmerena duž dva različita pravca u prostor-vremenu (Sl. 2). Koristeći snažne laserske izvore, svetlosni snop se šalje u dva različita pravca (lokacije) tako da dođe do interferencije jednog sa drugim. Međutim, pri nailasku gravitacionog talasa, menja se rastojanje duž ta dva pravca, te dolazi do pomeraja interferencionog modela ova dva snopa. Osnovna veličina koja se meri na opservatoriji gravitacionih talasa je strain (deformacija), koja je definisana sa s=rl / l, gde je rl promena prvobitnog rastojanja a l je neporemećena dužina – prvobitno rastojanje, izmereno pre nailaska talasa.

Ovo nije jedini način merenja gravitacionih talasa. Zamislimo da su posmatrači razvukli između sebe žicu. Kada naiđe gravitacioni talas, žica će se malo rastegnuti, a po njegovom prolasku vratiće se u prvobitno stanje, zbog čega će zavibrirati. Grubo govoreći, žica je osetljiva na one gravitacione talase čija frekvencija odgovara normalnom modu vibracije žice: f=nv/2l, gde je v brzina prostiranja zvuka u žici, l je njena dužina, a n je ceo broj koji ukazuje na mod. Amplituda ovakvih oscilacija zavisi od deformacije žice koju je indukovao gravitacioni talas. Ovaj tip detektora je nazvan bar-detektor, a konstruisao ga je Džon Veber sa Univerziteta u Merilendu (SAD), 60-tih godina prošlog veka. Najosetljiviji detektor tog tipa je ALEGRO, koji je i danas u upotrebi na Državnom univerzitetu u Lujizijani (SAD).

Pretpostavlja se da je ukupna zaliha energije gravitacionih talasa u Univerzumu uporediva sa zalihom energije elektromagnetskih talasa, ali prostor-vreme je ekstremno krut medijum: čak i ogromne količine očekivane energije, koju nose ovi talasi, mogu izazvati samo slabe poremećaje. I pored svih teškoća, u narednoj dekadi se očekuje konstrukcija detektora koji će biti u mogućnosti da otkriju različite vrste kretanja udaljenih masa.

Zašto baš u narednoj dekadi? Kao što je poznato, frekvencija talasa odgovara fizičkom kretnju koje ga izaziva. Danas se mogu detektovati talasi u rasponu od kiloherca pa sve do miliherca korišćenjem direktne interferometrije, i, dalje, sve do nanoherca, koristeći milisekundne pulsare. Zbog čega možemo reći da će detektori gravitacionih talasa biti superosetljivi mikrofoni koji mere kretanja izazvana vibracijama prostor-vremena. Samim tim muzika prostor-vremena biće nam dostupna. (Ko od čitalaca želi da čuje kako pulsiraju pulsari, neka se spoji na www.ssag.matf.bg.ac.yu/pulsari)

Trenutno na Zemlji, detektori kao što su LIGO, VIRGO, GEO i TAMA testiraju frekvencije od 30 do 1000 Hz. Očekuje se da su najjači izvori talasa u tom opsegu objekti koji predstavljaju završni stadijumi binarnih crnih rupa. U sledećoj dekadi, kao što smo napomenuli, ovi detektori moći će da dosegnu dovoljno daleko u svemir čime ovi retki događaji neće više biti nepoznanica.

Uzrok nastanka gravitacionih talasa je dinamičko (ubrzano) kretanje neke mase. Svako asimetrično ubrzanje u masivnom sistemu generisaće gravitacione talase.

Preciznije rečeno: gravitacioni sistem emitovaće gravitaciono zračenje ako je njegov kvadrupolni moment različit od nule.

Razmotrimo bliže ovaj pojam. Јoš 1905. godine Henri Poenkare je primetio neslaganje Njutnovog zakona gravitacije i Lorencovih transformacija i predložio je postojanje gravitacionih talasa koji bi se kretali brzinom svetlosti. Ajnštajn je diskutovao ovu temu u radu iz 1916, ali je tek 1918. objavio njenu korektnu ekspoziciju: kada se materija kreće, ili menja konfiguraciju, njeno gravitaciono polje se menja, ove promene se šire kao mreškanje zakrivljenosti prostor-vremena. Naime, Ajnštajnove jednačine mogu se svesti na talasnu jednačinu u određenim slučajevima. Po analogiji sa elektromagnetizmom, izvor gravitacionih talasa može se razložiti na multipole.

Talasi su prouzrokovani vremenskom promenom multipolnih momenata: Monopolni moment distribucije materije je masa izvora. Ona je konstanta (do na izračenu energiju). Pošto se monopolni moment ne menja sa vremenom nema monopolne radijacije. Vremenski izvod dipolnog momenta je ujedno moment izvora koji je takođe konzerviran, zbog čega nema dipolnog zračenja. Zato glavni deo radijacije proističe iz vremenskih promena kvadrupolnih momenata izvora.

Dosadašnja istraživanja astronomskih sistema u kosmosu pokazuju da su oni uglavnom asimetrični dinamički sistemi: od aktivnih galaksija i spiralnih galaksija (na najvećoj skali dimenzije sistema) pa sve do supernovih i binarnih zvezda (na manjoj skali dimenzije objekata). Zato možemo slobodno reći da je Univerzum bogato naseljen različitim jakim izvorima gravitacionih talasa. U veoma širokom opsegu između 0.1 i 100 miliherca očekuje se značajna ‘’naseljenost’’ Univerzuma različitim jakim izvorima gravitacionih talasa. Ovakva bogata aktivnost na niskim frekvencijama je jasna i sa intuitivnog stanovišta, pošto su astronomski dinamički sistemi ogromnih dimenzija, pa se čak i oni sa velikim brzinama, u većini slučajeva, ne menjaju brzo.

Napominjemo da su talasi, koji stižu od izvora sa velikim crvenim pomakom, usporeni zbog kosmološke dilatacije vremena. Signali navedene niske frekvencije dolaze od veoma različitih objekata: masivne crne rupe, koje se sudaraju u galaksijama; masivne crne rupe koje gutaju manje kompaktne objekte; poznate binarne kompaktne zvezde i ostaci; članovi poznatih populacija veoma udaljenih binarnih objekata, kao i neki drugi objekti, poput relikata veoma ranog big bang-a koji su još uvek nepoznati. Ovi signali sadrže detaljne informacije koje će biti korisne za različite naučne oblasti: istoriju galaksija i crnih rupa u Univerzumu, opštu teoriju relativnosti i ponašanje prostor-vremena, fiziku kondenzovane materije, ostataka zvezda i kompaktnih binarnih objekata i, najverovatnije, novu fiziku, koja nastoji da poveže tekuće stanje sa događajima u ranom Univerzumu, pre svega relikte koje predviđa teorija struna ili da (čak) direktno detektuje kvantno-gravitacioni šum.

Na isti način kao što elektromagnetsko zračenje prati ubrzanje naelektrisanja isto tako i gravitaciona radijacija prati kvadrupolno ubrzanje svakog vida mase ili energije. Jako kvadrupolno ubrzanje u sistemu čija je masa M i dimenzija R na rastojanju D izazvalo bi poremećaje u prostor-vremenu čija bi amplituda bila oko h~(GM/Rc2)2(R/D).

Interferometrijski detektori planirane misije LISA (Laser Interferometer Space Antenna) biće osetljivi na ovakve poremećaje prateći promene rastojanja među inercijalnim repernim masama (Sl. 2). Na razdaljinama oko 5 miliona kilometara, ovaj instrument će moći da meri varijacije od oko 0.05 pikometara, što odgovara osetljivosti 10-23.

Očekuje se da će najjači gravitacioni talasi, koje bi LISA detektovala, biti deo emitovanja sistema sa najvećim gravitacionim potencijalom GM/R: znači, sistema koji imaju veliku masu i malih su dimenzija. Najverovatnije da će najjače talase generisati interagujuće crne rupe: to su gusti čvorovi čiste prostor-vremenske energije za koje važi GM/Rc2~1.

Dve crne rupe koje orbitiraju jedna oko druge po spirali (zbog gubitka energije zračenjem) i na kraju se sudaraju, emitovaće talase koji su u dinamičkom smislu najčistija forma onog što teorija opšte relativnosti predviđa. Sa druge strane, ovakav fenomen je i najnelinarnije dinamičko ponašanje: takav događaj je maksimalno savijanje vakuum prostor-vremena koji interaguje sa samim sobom. Kod (ovih) dvojnih sistema crnih rupa očekuje se da (u početku) budu putanje takve da se emituju gravitacioni talasi niskih frekvencija. Kako budu gubile energiju, zbog međusobne gravitacione interakcije, frekvencija gravitacionih talasa će se povećavati i radijacija jačati. U trenutku maksimuma luminoznosti, ovakva dvojna (binarna) crna rupa je najekstremniji oblik bilo koje vrste transformacije masa-energija u Univerzumu. Snaga zračenja je oko 1049 W. LISA bi mogla da detektuje ovakve događaje bilo gde, čak do najvećih crvenih pomaka.

Osim toga, sa ovakvim instrumentom, bili bismo u mogućnosti da sa visokom preciznošću mapiramo izolovane crne rupe u kosmosu. U opštoj teoriji relativnosti izolovana rotirajuća crna rupa je opisana matematički kao poseban precizno definisan oblik prostor-vremena nazvan Kerova metrika (Kerr metric), koji zavisi samo od fizike gravitacije, nikako od istorije ili okruženja crne rupe. LISA bi mogla potvrditi ovo rešenje, tj pokazati da je zadovoljena teorema opšte teorije relativnosti koja tvrdi da je jedna izolovana stacionarna crna rupa u potpunosti određena masom i ugaonim momentom.

Takođe, mogli bismo detektovati i egzotične događaje poput slučajnih prilaza crnoj rupi, mnogo manjih kompaktnih objekata – kao što su degenerisane zvezde patuljci, neutronske zvezde ili crne rupe čija je masa reda mase zvezda. Objekti koji su zahvaćeni gravitacijom masivne crne rupe, očekujemo da orbitriraju oko nje i na kraju da se utope u horizont događaja i nestanu.

Na osnovu ekstrapolacije uslova oko centra naše Galaksije pretpostavlja se da će oko hiljadu ovakvih događaja biti detektovano tehnologijom na LISA kosmičkom brodu. Gravitacioni talasi koji se emituju od ovih objekata, tokom bliskog susreta sa crnom rupom, detaljno će mapirati relativno neporemećenu masivnu crnu rupu, za koju se pretpostavlja da je potpun Kerov čvor izuzetno zakrivljenog i rotirajućeg prostor-vremena. Ovakvim mapiranjem imaćemo uvid do izvanrednih detalja najčistije i najtačnije predviđene strukture u celoj astrofizici, a eleganciju matematičke forme koja je definiše Čandrašekar je uporedio sa atomom.Sve forme mase i energije uprežu se u gravitaciju, tako da i neki drugi izvori gravitacionih talasa mogu postojati i da nisu poznati iz dosadašnjih elektromagnetnih posmatranja, ali koje bi mogli detektovati na frekvencijama veoma visokih crvenih pomaka. Dok akceleratori na Zemlji proučavaju pojedinačne sudare čestica, LISA bi mogla istražiti kolektivno ponašanje polja koje često prate prekidi simetrije – fazni prelazi nekih novih sila prirode ili ekstra dimenzije prostora koje mogu posredno produkovati gravitacione talase.

Sumirajući sve prethodno, može se slobodno reći da će izučavanje gravitacionih talasa iz Univerzuma otvoriti revoluciju u astrofizičkim istraživanjima. Ovaj, nama potpuno nov vid zračenja, treba da omogući astrofizičarima da istražuju fizičke karakteristike kompleksnih i ekstremnih astrofizičkih sistema poput veoma gustih jezgara galaksija, sudara neutronskih zvezda, koje su milionima svetlosnih godina udaljene, i da istražuju regione veoma bliske horizontu događaja crnih rupa.

Međutim, moramo ponoviti da budućnost može biti i mnogo spektakularnija, imajući u vidu da je naš trenutni pogled na Univerzum sa tehnološki ograničenog elektromagnetnog stanovišta prve dekade 21. veka.

Podelite članak: