Tiskane izdaje
Prvi neposredni detekciji gravitacijskih valov z observatorijem Ligo so v dveh letih sledili še trije dogodki zlitja črnih lukenj in nova senzacija – zlitje dveh nevtronskih zvezd. V raziskavah sodelujejo tudi slovenski raziskovalci.
Gravitacijske valove si lahko predstavljamo kot nekakšne gube v ukrivljenem prostorčasu, ki potujejo v njem s svetlobno hitrostjo. Kadar potuje skozi določeni del vesolja gravitacijski val, se prostor tam izmenično širi in krči. A ti raztezki in skrčki so zelo majhni. Tako drobceni, da je tudi marsikateri fizik dvomil, ali jih bo kdajkoli mogoče izmeriti. Kljub skokovitemu razvoju tehnologije je zato trajalo kar sto let od njihove napovedi na podlagi Einsteinove splošne teorije relativnosti do prve neposredne detekcije.
Observatorij Ligo je najnatančnejše merilo, kar ga je izdelalo človeštvo do zdaj: zazna lahko spremembe velikosti 10–19 metrov na razdalji dolžine posameznega kraka, ki znaša štiri kilometre. To je, kot da bi izmerili oddaljenost najbližje zvezde, Proksime Kentavra, ki znaša štiri svetlobna leta, na manj, kot je debelina lasu natančno!
Kaj so razkrili prvi štirje zaznani dogodki?
Prva neposredna detekcija gravitacijskih valov 14. septembra 2015 (dogodek z oznako GW 150914) se je zdaj že zapisala v zgodovino. Sledile so ji še tri detekcije zlitja črnih lukenj (GW 151226, GW 170104 in nedavni GW 170814).
Njihov pomembnost je izjemna: potrdile so, da gravitacijski valovi obstajajo in da splošna teorija relativnosti dobro opiše gravitacijsko polje v neposredni okolici črnih lukenj. Torej v območju, ki ga ne moremo opazovati na noben drug način.
Poleg tega so razkrile, da v vesolju obstajajo pari črnih lukenj – kar smo astrofiziki sicer domnevali, nismo pa imeli dokazov – in da obstajajo črne luknje z masami okoli 20–30 mas Sonca. Pred tem smo imeli le dokaze o obstoju tako imenovanih majhnih črnih lukenj z masami do okoli 15 mas Sonca. Odkritje njihovih masivnejših sester postavlja vprašanja o njihovem nastanku in razvoju zvezd (majhne črne luknje namreč nastanejo ob smrti masivnih zvezd).
Dosežki observatorija Ligo so tako izjemni, da so Reinerju Weissu, Barryju C. Barishu in Kipu S. Thornu, ki so ključno pripomogli k uspehu projekta Ligo, prinesli letošnjo Nobelovo nagrado za fiziko. Nagrada po mnenju velike večine fizikov ni bila le zaslužena, ampak tudi zelo pričakovana.
Iz oblike in jakosti signala gravitacijskih valov lahko določijo vrsto in maso teles, ki sta se zlili, ter oddaljenost dogodka od nas. Iz časovnega zamika detekcije signala v različnih detektorjih lahko določijo tudi približno smer neba, od koder je prišel: v primeru detekcije z dvema detektorjema Ligo v ZDA je določitev zelo slaba, z dodanim tretjim detektorjem, Virgo v Italiji, je določitev že veliko boljša. A kljub temu zajema tako velik del neba, da na njem najdemo veliko število galaksij, ki so možne gostiteljice dogodka.
Za točno določitev kraja zlitja – galaksije, iz katere je gravitacijski signal prišel – so ključna opazovanja svetlobe vseh vrst, ki bi lahko nastala ob zlitju. Vendar ob zlitju črnih lukenj, ki se najverjetneje zgodi v »očiščenem« prostoru, ne pričakujemo nastanka svetlega izvora oziroma tako imenovanega elektromagnetnega dvojnika.
Zlitje nevtronskih zvezd
Celotna astrofizikalna srenja je zato s toliko večjo nestrpnostjo pričakovala detekcijo gravitacijskih valov iz zlitja dveh nevtronskih zvezd. Ob njihovem zlitju, pravi desetletja star teoretični model, nastane kratek izbruh sevanja gama. To je manj kot dve sekundi trajajoč blisk gama svetlobe, ki mu sledi dlje časa trajajoči zasij v svetlobi nižjih energij oziroma daljših valovnih dolžin.
Vendar je signal gravitacijskih valov ob zlitju dveh nevtronskih zvezd šibkejši od signala zlitja dveh črnih lukenj, saj imajo te večjo maso in bolj ukrivljajo prostorčas. Razdalja, do katere inštrument z omejeno občutljivostjo lahko opazi zlitje nevtronskih zvezd, je zato ustrezno manjša in tako inštrument »zajame« manjši del vesolja. Do zdaj detektirana zlitja črnih lukenj so bila vsa več kot milijardo svetlobnih let daleč od nas, meja observatorija Ligo za detekcijo zlitja nevtronskih zvezd pa je veliko nižja – okoli dvesto milijonov svetlobnih let.
Ponedeljkovo veliko oznanilo
Nestrpnega pričakovanja je zdaj konec. V ponedeljek so na več hkratnih tiskovnih konferencah v ZDA in Evropi z velikim navdušenjem razkrili, da so 17. avgusta letos ob 14:41:04 po našem času z observatorijema Ligo in Virgo prvič zaznali gravitacijske valove, ki po svojih lastnostih ustrezajo zlitju dveh nevtronskih zvezd. V primerjavi s signalom zlitja črnih lukenj ima novi signal daljšo periodo in traja bistveno dlje časa – okoli 100 s, kar je oboje posledica nižje mase nevtronskih zvezd. Iz detektiranih gravitacijskih signalov so določili približno lokacijo izvora: 30 kvadratnih stopinj velik del južnega neba v ozvezdju Vodna kača, in oddaljenost: približno 130 milijonov svetlobnih let.
Rumeno obarvane so lokacije observatorijev LIGO in VIRGO, modro pa lokacije zaznav s teleskopi. Foto: NASA
Neodvisno od detekcije z detektorji Ligo in Virgo je satelit Fermi iz istega dela neba zaznal kratek blisk gama svetlobe, ki je za trenutkom zlitja »zamujal« za 1,7 sekunde. Po lastnostih je ustrezal kratkemu izbruhu sevanja gama.
Široka opazovalna kampanja
Objava detekcij observatorijev Ligo-Virgo in satelita Fermi je takoj sprožila široko opazovalno kampanjo: številne raziskovalne skupine po vsem svetu so uporabile satelite in teleskope na Zemlji za iskanje elektromagnetnega dvojnika. Slabih enajst ur pozneje, ko so se lahko začela opazovanja tega dela neba v Čilu, je metrski teleskop Swope na observatoriju Las Campanas odkril optični dvojnik: svetel nov izvor vidne svetlobe v galaksiji NGC 4993, ki je 130 milijonov svetlobnih let daleč. Tako so prvič doslej natančno določili kraj nastanka gravitacijskih valov.
Sledila so opazovanja s številnimi inštrumenti, ki so pokrivali vse valovne dolžine svetlobe: od gama in rentgenske svetlobe, ultravijolične, vidne in infrardeče do radijskih valov. Dogodek je prelomen tudi zato, ker je prvi, ki so ga zaznali tako z detektorji gravitacijskih valov kot z instrumenti za različne vrste svetlobe, spremljali pa so ga tudi s posebnimi detektorji za delce iz vesolja (IceCube, Antares, observatorij Pierre Auger).
Točno znana lokacija dogodka je omogočila zelo podrobna opazovanja, pridobljene podatke pa bodo znanstveniki proučevali še vrsto let. Že zdaj pa je očitno, da je znanstvena zgodba stkana okoli tega enega samega dogodka zelo bogata.
Po dolgem čakanju
A ta izbruh le ni bil tak kot množica prej opaženih: pri kratkem izbruhu sevanja gama nastala eksplozija ne poteka v vseh smereh enako, pač pa večino energije in snovi odnese vzdolž dveh nasprotno usmerjenih snopov delcev in energije. Izbruh lahko zaznamo le, če eden od obeh snopov kaže proti Zemlji. Seveda je utemeljeno vprašanje: kakšna je verjetnost za »srečo«, da je bilo prvo zlitje nevtronskih zvezd, ki so ga zaznali gravitacijski detektorji, obrnjeno ravno tako, da je snop kazal proti nam in smo zaznali tudi izbruh sevanja gama?
Podrobna opazovanja vseh vrst svetlobe – od gama do radijske – kažejo konsistentno sliko: GW/GRB 170817 ni bil obrnjen točno proti nam, ampak smo ga videli nekoliko od strani, zunaj snopa. To se ujema s tem, da je bil opaženi kratki izbruh sevanja gama intrinzično najšibkejši od vseh opaženih do zdaj (ker smo ga videli nekoliko od strani). Ujema pa se tudi z modelom kilonove oziroma makronove. Ta model pravi, da v jedrskih reakcijah, ki stečejo ob kratkem izbruhu sevanja gama, nastane veliko jeder kemijskih elementov, ki so bogata z nevtroni. Ker so taka jedra nestabilna, razpadajo in s tem grejejo bližnjo okolico, ki zato seva približno enakomerno v vse smeri, kar pomeni, da lahko sevanje kilonove oziroma makronove opazimo tudi, če snop izbruha kaže mimo nas.
Dokaze za tako sevanje so do zdaj opazili v le nekaj primerih, našli pa so jih tudi v tem primeru GW/GRB 170817 – tako iz specifičnih lastnosti svetlobe (ki je spreminjala barvo od pretežno modre v rdečo) kot tudi v odsotnosti polarizacije svetlobe. Najnovejša opazovanja potrjujejo, da so kilonove oziroma makronove pomembni, če ne celo glavni, mehanizmi za sintezo težkih elementov v vesolju. Kot zanimivost: opazovanja GW/GRB 170817 kažejo, da naj bi ob zlitju nastala velika količina zlata – za deset do sto mas Zemlje.
Pomen za širšo fiziko
Nevtronske zvezde že več kot pol stoletja begajo astronome in fizike, saj si težko predstavljamo gostoto ~1017 kg/m3, kakršna vlada v njih: kot da bi celotno Sonce stisnili na velikost Ljubljane (približno deset kilometrov). Gravitacijski valovi, ki nastanejo ob zlitju dveh nevtronskih zvezd, nam lahko pomagajo razvozlati obnašanje snovi pri tako ekstremnih pogojih, kot jih v laboratorijih na Zemlji ne moremo ustvariti. S tem pa nam lahko povedo več o fundamentalnih zakonih narave in pomagajo razumeti črne luknje in druge eksotične objekte v vesolju.
Napovedi, da se je pred dvema letoma s prvo Ligo detekcijo začela nova doba v astronomiji, so se uresničile. Pet do zdaj detektiranih dogodkov, še posebno GW/GRB 170817, je povezalo majhne in velike raziskovalne skupine z zelo različnih področij fizike v skupni, globalni projekt, kakršnemu v astrofiziki še nismo bili priča. Večglasniška (angl. multi-messenger) astronomija, ki vključuje opazovanje vesolja in dogodkov v njem s pomočjo vseh štirih vrst »vesoljskih glasnikov«, svetlobe, gravitacijskih valov, kozmičnih delcev in nevtrinov, je (prvič) zares pokazala svojo moč.
