Gravitacijski valovi

V času, ko so se na Zemlji enoceličarji ravno odločali, če bi se bilo smotrno združevati, sta bili v oddaljenem delu vesolja dve ogromni črni luknji, 29 in 36-krat masivnejši od Sonca, ravno pri tem, da po tisočletjih kroženja končno trčita. Trk je bil tako gromozanski, da je sam prostor okrog njiju vzalovil. To valovanje je začelo potovati s hitrostjo svetlobe v vse konce vesolja, tudi proti 1,3 milijarde let oddaljeni Zemlji.

Ko so bili valovi oddaljeni od Zemlje še 350 svetlobnih let, je mladi Isaac Newton naredil prve korake k razumevanju delovanja sile in gravitacije. Gravitacija, kot jo je zapisal Newton, je dobro opisovala, kako jabolka padejo z drevesa, veliko slabše pa je razlagala izredno masivna telesa, kot so črne luknje.

Natanko sto let preden so valovi prispeli do Zemlje, pa je ključni korak naredil še eden od velikanov fizike, Albert Einstein. V splošni teoriji je opisal naravo gravitacije na način, ki je še danes fizikom težko razumljiv. Če je s posebno teorijo relativnosti za največ kakšno leto prehitel konkurenco, je Einstein s splošno teorijo relativnosti odpihnil takratno razumevanje vesolja in nekateri ocenjujejo, da bi človeštvo potrebovalo še nekaj desetletij za iste zaključke. V središču teh enačb so bili gravitacijski valovi, kjer gre pravzaprav za valovanje prostora. Po obliki so podobni valovom v vodi, le da se vodni valovi premikajo v eni smeri, gravitacijski valovi pa še v drugih smereh. Podobno kot z vodnimi valovi velja, da večji kot je kamen, višji so valovi. In malo kamnov je večjih kot trk dveh črnih lukenj, saj se v trenutku takega trka sprosti moč, ki je petdesetkrat večja od oddane moči vseh zvezd v vidnem vesolju skupaj.

Splošni teoriji in predvsem gravitacijskim valovom se kar nekaj časa ni posvečalo veliko pozornosti, saj je bilo njihovo dokazovanje skoraj nepredstavljivo. A vendar se je našlo nekaj pogumnežev na sloviti ameriški univerzi Caltech. Poskus so poimenovali observatorij LIGO (Large Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Valovi trka so bili takrat od Zemlje oddaljeni še 50 svetlobnih let.

Zakaj takšen strah pred poskusom? Težava je v tem, da se gravitacijski valovi slabo sklapljajo s snovjo. Čeprav je energijska gostota valov velika, gravitacijski valovi snovi nočejo zazibati. Zaznati je treba razlike v dolžini, ki so deset tisočkrat manjše od širine protona oziroma velike 0,0000000000000000001 metra. Naloge so se zato lotili prebrisano. Vzeli so dve votli ravni palici, ki so ju postavili pravokotno. Zaradi valovanja naj bi se pri prehodu vala ena od palic skrčila, druga pa raztegnila. Na konec vsake palice so postavili ogledalo, na začetek pa polprepustno zrcalo, ki v eni smeri prepušča svetlobo, v drugi pa jo odbija. Skozi polprepustno zrcalo so posvetili z laserjem. Laserski žarek se na prvem zrcalu odbije in gre skozi obe palici. Ločena žarka se nato odbijeta na končnem ogledalu in se srečata na začetku. Če sta palici enako dolgi, se laserska žarka po ponovnem snidenju medsebojno izničita in ne vidimo nobene odbite svetlobe. V kolikor pa je ena od palic daljša, se eden od laserskih žarkov vrne kasneje in opazimo blisk svetlobe.

Že pri samem postavljanju projekta so se zavedali, da na poti do želene natančnosti ne bo bližnjic. Tako dolžino palic kot ustreznost merilnih naprav so povečevali postopoma in se pri tem tudi učili. Pri končni postavitvi leta 2010 so prišli do palic, dolgih štiri kilometre. Vendar so še te, s trikom ogledal, navidezno podaljšali na izjemnih 1120 kilometrov. Prav tako so morali obtežiti ogledala, saj jih je laserski žarek premikal. Jeklene žice, na katerih sta palici viseli, so zamenjali z žicami iz steklenih vlaken, saj je bilo v jeklenih preveč termičnega gibanja, ki je povzročalo šum pri želenih natančnostih. Poleg vsega tega so identičen poskus postavili še 3000 kilometrov stran. S tem drugim observatorijem so se izognili napakam zaradi lokalnih tresljajev, hkrati pa so lahko vse meritve dodatno potrdili z zamikom, ki je ustrezal razdalji.

Ko so bili valovi zdaj že skoraj našega trka samo še 40 svetlobnih let stran, se je ekipi priključil Andrej Čadež, danes zaslužni profesor Univerze v Ljubljani. Svojo vlogo pri poskusu opisuje tako: »Dve leti in pol sem bil član te skupine. Bilo je zelo zanimivo. Kip Thorne je bil teoretik v naši skupini, jaz sem počel različne stvari. Imel sem se priložnost ukvarjati tudi z eksperimentalnim delom. Po naravi sem sicer teoretik, začel sem s črnimi luknjami, nato so me neprestano vlekli gravitacijski valovi. Ko sem pisal svoj doktorat, je Joseph Weber objavil, da jih je odkril, to me je vleklo. Ko sem imel priložnost delati na Caltechu, me je veselilo, da sem sodeloval tudi pri eksperimentalnem delu razvoja tega detektorja.« Celoten intervju je na voljo tu - http://goo.gl/b8pAvm.

Kljub vsem popravkom so merilniki venomer, žal neuspešno, iskali kakšen blisk. Potrebovali so še dovolj močan vir valovanja. In dobro milijardo let po trku črnih lukenj je gravitacijski val, ki je nastal zaradi tega trka, končno prispel do Zemlje. Bolj natančno 14. septembra 2015. Z objavo rezultatov so počakali do februarja letos, saj so se želeli zares prepričati, da ni bilo kakšne pomote pri meritvah.

Vendar se je z dokazom o obstoju gravitacijskih valov njihova zgodba šele začela. Če smo imeli do zdaj za opazovanje samo elektromagnetne valove – svetlobo, imamo zdaj popolnoma novo kukalo v skrivnosti vesolja. Gradi se še več podobnih observatorijev, vključno z enim v vesolju. Prav tako pa se LIGO še vedno izboljšuje. S še večjo natančnostjo merjenj bomo lahko še bolj zanesljivo zaznavali raznorazna valovanja in z njihovo pomočjo še bolje razumeli dogajanje okrog nas. Z dovolj natančnimi merilniki morda nekega dne zaznamo tudi tako šibka valovanja, kot so tista, ki jih je povzročil sam veliki pok.