Ilustracija: Louisiana State University

NAKON TRI GODINE, ‘LIGO’ OPET RADI! Jedan od najsmjelijih znanstvenih projekata stao je u vrijeme pandemije, a sada je ‘brutalno nadograđen’

Autor: Zlatko Govedić

Nakon trogodišnje stanke, američki su znanstvenici u srijedu uključili detektore koji mogu mjeriti gravitacijske valove – sićušne valove u prostorvremenu koji putuju svemirom.

Za razliku od svjetlosnih valova, gravitacijskim valovima gotovo da ne smetaju galaktike, zvijezde, plin i prašina koji ispunjavaju svemir. To znači da mjerenjem gravitacijskih valova astrofizičari mogu izravno zaviriti u srce nekih od tih najspektakularnijih pojava u svemiru.

Od 2020. Laserski interferometrijski opservatorij gravitacijskih valova (LIGO) je mirovao dok su ga stručnjaci nadograđivali. Ta će poboljšanja značajno povećati osjetljivost LIGO-a te bi trebala omogućiti objektu da promatra udaljenije objekte koji proizvode manje valove u prostorvremenu.

Detektiranjem više događaja koji stvaraju gravitacijske valove, astronomima će biti više prilika da također promatraju svjetlost koju proizvode ti isti događaji. Gledanje događaja kroz više kanala informacija, pristup koji se naziva astronomija s više glasnika, pruža astronomima rijetke i željene prilike da uče o fizici daleko izvan područja bilo kakvog laboratorijskog testiranja.

Mreškanje u prostorvremenu

Prema Einsteinovoj općoj teoriji relativnosti, masa i energija iskrivljuju oblik prostora i vremena. Savijanje prostorvremena određuje kako se objekti kreću jedan u odnosu na drugi, što ljudi doživljavaju kao gravitaciju.

Gravitacijski valovi nastaju kada se masivni objekti poput crnih rupa ili neutronskih zvijezda sudare jedan s drugim, stvarajući nagle, velike promjene u prostoru. Proces savijanja prostora šalje valove po svemiru poput vala preko mirnog jezera. Ti valovi putuju u svim smjerovima od poremećaja, sitno savijajući prostor pritom i pomalo mijenjajući udaljenost između objekata koji im se nađu na putu.

Iako astronomski događaji koji proizvode gravitacijske valove uključuju neke od najmasivnijih objekata u svemiru, rastezanje i skupljanje prostora je beskrajno malo. Snažan gravitacijski val koji prolazi Mliječnom stazom (čiji je promjer 100.000 svjetlosnih godina, tj. 9,5 x 10²⁰ m) može promijeniti promjer cijele galaktike za samo jedan metar.




Prva opažanja gravitacijskih valova

Iako ih je prvi predvidio Einstein 1916. godine, znanstvenici tog doba nisu imali mogućnosti da mjere sićušne promjene u udaljenosti koje je postulirala teorija gravitacijskih valova.

Oko 2000. godine znanstvenici s Caltecha, Massachusetts Institute of Technology i drugih sveučilišta diljem svijeta završili su s konstruiranjem – u biti najpreciznijeg ravnala ikad izgrađenog – zvjezdarnice LIGO.

Ona se zapravo sastoji od dvije odvojene zvjezdarnice, od kojih se jedna nalazi u Hanfordu, Washington, a druga u Livingstonu, Louisiana. Svaki opservatorij ima oblik divovskog slova L s dva kraka duga 4 km, koji se protežu iz središta objekta pod kutom od 90⁰ jedan prema drugom.




Kako bi izmjerili gravitacijske valove, istraživači usmjeravaju laser od središta objekta do baze L. Tamo se laser dijeli tako da zraka putuje niz svaki krak, odbija se od zrcala i vraća u bazu. Ako gravitacijski val prođe kroz krakove dok laser svijetli, dvije će se zrake vratiti u središte u vrlo različito vrijeme. Mjerenjem te razlike, fizičari mogu uočiti da je gravitacijski val prošao kroz objekt.

LIGO je počeo raditi početkom 2000-ih, ali nije bio dovoljno osjetljiv da detektira gravitacijske valove. Stoga je 2010. tim LIGO-a privremeno zatvorio postrojenje kako bi izvršio nadogradnje za povećanje osjetljivosti. Nadograđena verzija LIGO-a počela je prikupljati podatke 2015. i gotovo odmah otkrila gravitacijske valove proizvedene spajanjem dviju crnih rupa.

Od 2015. LIGO je dovršio tri promatranja. Prva, serija O1, trajala je oko četiri mjeseca; drugi, O2, oko devet mjeseci; a treći, O3, trajao je 11 mjeseci prije nego što je pandemija COVID-19 prisilila objekte na zatvaranje. Počevši od serije O2, LIGO je djelovao s talijanskom zvjezdarnicom Virgo.

Između svakog rada znanstvenici su poboljšali fizičke komponente detektora i metode analize podataka. Do kraja serije O3 u ožujku 2020., istraživači u suradnji LIGO i Virgo otkrili su oko 90 gravitacijskih valova od spajanja crnih rupa i neutronskih zvijezda.

Zvjezdarnice još nisu postigle svoju maksimalnu projektiranu osjetljivost. Tako su se 2020. obje zvjezdarnice ponovno zatvorile radi nadogradnje.

Izrada nekih nadogradnji

Znanstvenici rade na mnogim tehnološkim poboljšanjima. Jedna posebno obećavajuća nadogradnja uključivala je dodavanje optičke šupljine od 300 m kako bi se poboljšala tehnika koja se zove stiskanje. Stiskanje omogućuje znanstvenicima smanjenje buke detektora s pomoću kvantnih svojstava svjetlosti. S tom nadogradnjom, LIGO bi trebao moći detektirati mnogo slabije gravitacijske valove nego prije.

“Moji suradnici i ja smo podatkovni znanstvenici u suradnji LIGO i radimo na nizu različitih nadogradnji softvera koji se koristi za obradu LIGO podataka i algoritama koji prepoznaju znakove gravitacijskih valova u tim podacima. Ti algoritmi funkcioniraju tako što traže uzorke koji odgovaraju teorijskim modelima milijuna mogućih događaja spajanja crne rupe i neutronske zvijezde. Poboljšani algoritam trebao bi moći lakše izdvojiti slabe znakove gravitacijskih valova iz pozadinske buke u podacima nego prethodne verzije algoritama”, objašnjava fizičar Chad Hanna s Državnog sveučilišta u Pennsylvaniji (SAD).

Era astronomije visoke razlučivosti

Početkom svibnja 2023. LIGO je započeo kratki testni rad kako bi se uvjerio da sve radi. Dana 18. svibnja LIGO je otkrio gravitacijske valove koji su vjerojatno nastali udarom neutronske zvijezde u crnu rupu.

LIGO-ovo 20-mjesečno promatranje O4 službeno će započeti 24. svibnja, a kasnije će mu se pridružiti Virgo i novi japanski opservatorij – Kamioka Gravitational Wave Detector ili KAGRA.

Iako postoji mnogo znanstvenih ciljeva za to istraživanje, poseban je fokus na otkrivanju i lokaliziranju gravitacijskih valova u stvarnom vremenu. Ako tim može identificirati događaj gravitacijskih valova, otkriti odakle valovi dolaze i brzo upozoriti druge astronome na ta otkrića, to bi omogućilo astronomima da usmjere druge teleskope koji prikupljaju vidljivu svjetlost, radio valove ili druge vrste podataka na izvor gravitacijski val.

Prikupljanje višestrukih kanala informacija o jednom događaju – astrofizika s više poruka – jest poput dodavanja boje i zvuka crno-bijelom nijemom filmu i može pružiti mnogo dublje razumijevanje astrofizičkih fenomena.

Astronomi su do danas primijetili samo jedan događaj i u gravitacijskim valovima i u vidljivoj svjetlosti – spajanje dviju neutronskih zvijezda viđeno 2017. godine. No iz tog jedinog događaja fizičari su mogli proučavati širenje svemira i potvrditi porijeklo nekih od najenergičniji događaji u svemiru poznati kao izboji gama zraka.

Uz rad O4, astronomi će imati pristup najosjetljivijim opservatorijima gravitacijskih valova u povijesti i nadamo se da će prikupiti više podataka nego ikada dosad. “Moji kolege i ja se nadamo da će nadolazeći mjeseci rezultirati jednim – ili možda mnogim – promatranjima s više glasnika koja će pomaknuti granice moderne astrofizike”, zaključuje Hanna.

Autor:Zlatko Govedić
Komentari odražavaju stavove njihovih autora, ali ne nužno i stavove portala Dnevno.hr. Molimo čitatelje za razumijevanje te suzdržavanje od vrijeđanja, psovanja i vulgarnog izražavanja. Portal Dnevno.hr zadržava pravo obrisati komentar bez najave i/li prethodnog objašnjenja.