Despre undele gravitaționale ale lui Einstein. Ce au descoperit, de fapt, cercetătorii?

Ieri a avut loc un anunț pe care scrie “Nobel”: un colectiv de cercetători (nu dau nume, pentru că e vorba despre peste 1000, din peste 90 de instituții, din 15 țări) a anunțat că, pentru prima dată, s-a reușit detectarea undelor gravitaționale. Ca să înțelegeți de ce ăsta este o descoperire științifică mai mult decît epocală, trebuie să începem cu nițică teorie. Promit că singura ecuație din tot textul e cea de mai jos.

Acum fix o sută de ani, Albert Einstein a luat două dintre cele mai cunoscute ecuații – aia cu E=mc² și pe cea cu forța gravitațională, n-o scriu explicit ca să nu vă sperii – le-a amestecat (muuch easier said than done) și a creat Teoria Relativității Generalizate. O teorie care combina relativitatea (ce se întîmplă cu spațiul și timpul, ce legătură este între masă și energie) cu gravitația (cum se atrag obiectele din univers).

Pe superscurt, e vorba de imaginea aia celebră:

Sursă foto: NASA

Materia curbează spațiul și timpul, iar gravitația e doar mișcarea corpurilor în spațiul ăsta curbat.

Einstein a făcut și o predicție pe baza teoriei relativității generalizate: el spunea că dacă două obiecte masive se ciocnesc, spațiul și timpul ajung să se contorsioneze atît de tare încît se vor emite niște unde de șoc. Dacă vreți să vizualizați asta, imaginați-vă spațiul ca pe suprafața unui lac, pe care două bărcuțe care se învîrt una în jurul celeilalte provoacă vălurele. Astea ar fi undele gravitaționale: niște vibrații ale spațiu-timpului provocate de obiectele masive (care, de altfel, și curbează spațiu-timpul ăsta).

R. Hurt, Caltech/JPL

În esență, undele gravitaționale sînt vibrații în însăși structura universului, vibrații minuscule ale spațiu-timpului însuși, și călătoresc cu viteza luminii. Sînt provocate de cele mai violente evenimente din univers: găuri negre (sau stele neutronice) care cad una în alta. Și, grație acestor evenimente ridicol de gigantice și incredibil de îndepărtate, toți atomii din jurul nostru vibrează nițel.

De ce ne pasă de undele astea gravitaționale? În primul rînd, sînt o predicție-cheie a Teoriei Relativității Generalizate. Dacă n-ar exista, ar fi teribil de nasol pentru TRG.

În al doilea rînd, undele gravitaționale deschid o fereastră nouă în studiul celor mai masive obiecte din univers: stelele neutronice și găurile negre, ambele tare greu (spre imposibil) de urmărit doar pe baza interacțiunii lor cu lumina. Bill Weber, de la LISA (un alt detector de unde gravitaționale, de data asta plasat în spațiu, și care abia a plecat în decembrie) spunea că undele gravitaționale sînt cea mai directă cale de a studia marea parte întunecată a universului. (Să vă aduc aminte: ce vedem noi, adică stele, galaxii, nori de praf interstelar și alte alea reprezintă doar 5% din Univers. Încă vreo 27% e materie întunecată (dark matter) iar vreo 68% e energie întunecată (dark energy). Și toată lumina pe care o vedem cu telescoapele este afectată de tot ce e în drumul ei spre noi: praf, gaze… Undele gravitaționale, pe de altă parte, traversează spațiul fără a fi distorsionate, fix așa cum au plecat de la sursă. Vă dați seama ce minuni am mai putea găsi cu ajutorul undelor gravitaționale?

În fine, un alt mod în care ne-am putea folosi de undele gravitaționale este un recensămînt al coliziunilor între găuri negre care se petrec în univers. Am putea verifica predicțiile teoretice făcute pînă acum.

Mai mult, ca “amprente” ale celor mai energetice evenimente din univers, undele gravitaționale ne-ar ajuta să înțelegem cum funcționează forța gravitației în condiții limită, iar detectarea lor este o confirmare superbă a faptului că și în cazul cîmpurilor gravitaționale foarte intense TRG se ține bine.

Gata, am terminat cu partea de fizică teoretică. Să trecem la experimentul nostru.

Vă spuneam că undele astea gravitaționale sînt taaaare mici: ar trebui să căutăm oscilații ale spațiului nu mai mari de o miliardime din mărimea unui atom!

Și exact asta a făcut LIGO: Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory.

Ieri cercetătorii au anunțat că au detectat, pentru prima dată, unde gravitaționale. Le-au observat pe 14 septembrie, au apărut primele “informații pe surse” prin noiembrie, niște astrofizicieni mai vorbăreți au mai alimentat piața de zvonuri și acum vreo două-trei săptămîni, însă ieri totul a devenit oficial și public.

Și totuși, cum au făcut?

Teoretic e simplu: te uiți la două obiecte care sînt păstrate la o distanță foarte precis măsurată și vezi dacă distanța se schimbă. Dacă se schimbă, tocmai a trecut o undă gravitațională peste ele. Practica, însă, ne omoară: ca să scoți ceva ai nevoie de distanțe uriașe și trebuie să măsori niște fluctuații incredibil de mici în distanțele alea. Asta făcea LIGO: experimentul a pornit în 2002, cu două divaisuri în formă de L (da’ cu brațele egale, de cîte 4 km), cu oglinzi plasate la cele două capete ale “L”-ului. Divaisurile au fost plasate în statele Washington și Louisiana, la 3000 de kilometri distanță. Fiecare dintre detectoare funcționează așa: o rază laser trece prin oglinzile astea (ca în desen), e împărțită în două cu un splitter, și după multe ture se întoarce acasă.

Dacă cele două brațe au lungimi egale, toată lumina se întoarce la laser. Dar dacă există și o diferență mică-mică, o parte din lumină ajunge la detector. Dispozitivul ăsta se cheamă “interferometru”, și a tot fost folosit în fizică, dar cele din LIGO sînt megahiperultrasensibile. A fost nevoie de două interferometre, la distanță mare, ca să elimine orice fel de perturbare care s-ar fi putut strecura în experiment: cînd același semnal era înregistrat de ambele detectoare, era o șansă mai mare să nu fie vorba despre un semnal fals. Plus că două detectoare permit și să se obțină o direcție dinspre care vine semnalul.

Într-o primă fază de funcționare, nu s-au obținut dovezi clare, deși cercetătorii au fost aproape păcăliți o dată de un semnal fals, plantat de către Divizia de Afaceri Interne a LIGO, care urmărea cît de pe fază sînt astrofizicienii. http://news.discovery.com/space/ligos-little-black-box-110317.htm

Apoi, în 2010, experimentul a trecut printr-un upgrade masiv care a durat cinci ani, și a repornit toamna trecută. Și, imediat, LIGO a simțit ceva: acum 1,3 miliarde de ani (sau la o distanță de 1,3 miliarde de ani lumină), două găuri negre, fiecare cam cît 30 de sori, s-au ciocnit după ce au spiralat una în jurul celeilalte tot mai repede, cu viteze de pînă la jumătate din viteza luminii. Iar pe 14 septembrie, undele gravitaționale produse de coliziune au ajuns și la noi.

Ca să înțelegeți mai ușor, reveniți la cele două bărcuțe de pe lac. Valurile create de bărcuțe s-au propagat pe suprafața lacului, iar noi, foarte departe, am mai zărit un tremur mic în apă. V-ați prins: bărcile sînt găurile negre, apa e spațiul, iar valurile sînt undele gravitaționale. Doar că lacul e foooooooarte mare, iar tremurul e foooooarte mic.

Apropo, detecția anunțată ieri este și prima dovadă directă că există găuri negre. Cercetătorii au tot văzut emisii luminoase din apropierea găurilor negre, au văzut stele mișcîndu-se în jurul unor obiecte atît de compacte și atît de uriașe încît era musai să fie găuri negre, dar asta este prima dovadă DIRECTĂ.

Cel mai bine a spus-o Szabolcs Marka, cercetător la LIGO:

Cînd vom găsi unde gravitaționale, asta va schimba totul, pentru că găsirea undelor gravitaționale nu va însemna doar că am descoperit ceva, ci va deschide o ușă către milioane de noi descoperiri. E cam cum razele X au schimbat medicina.

Aaah, I’m trembling with excitement. Tocmai ni s-a arătat o întreagă lume nouă.