Evolucija gravitacionih talasa

Piše: Darko Donevski

Izvor: Elementarium.cpn.rs

Kada je jedan od dva interferometra za hvatanje gravitacionih talasa prošle godine objavio veliko otkriće o detekciji malih oscilacija prostor-vremena predviđenih Ajnštajnovom opštom teorijom relativnosti, mnogi naučnici bili su optimistični da će ubrzo takvi događaji biti detektovani rutinski. Shvatiti da se u svemiru odigrava nešto što je modelima predviđeno destinama pa i stotinama godina ranije predstavlja sam vrhunac razumevanja prirode i njenih zakona.

Albert Ajnštajn nije imao pomoć računara kada je pre 101 godinu napisao da treba razmotriti postojanje gravitacionih talasa. LIGO detektor (Advanced Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) zabeležio je prošle godine inicijalni gravitacioni signal nastao sudarom crnih rupa, o čemu je već bilo reči na Elementarijumu.

Sa talasnom dužinom od nekoliko stotina do nekoliko hiljada kilometara, detektor LIGO je tako ušao u istoriju kao prvi uređaj koji nam je omogućio da „čujemo“ talasanje svemira. Nobelov komitet je već ove godine prepoznao vrednost istraživanja koje su sproveli pioniri gravitacione astronomije Vajs, Beriš i Torn, dodelivši im najveće priznanje za izuzetan doprinos razvoju nauke. Međutim, iako se Nobelova nagrada do sada obično dodeljivala za pionirska istraživanja kojima je trebalo dugo vremena da budu adekvatno prepoznata u javnosti, u slučaju gravitacionih talasa to nije bio slučaj.

Dve interagujuće crne rupe čiji je svemirski tango snimio LIGO dovele su do toga da bolje razumemo gravitaciju, ali i da pokažu koliko je važno otpočeti brz proboj u novoj grani astronomije, kako sa tehnološkog tako i sa teorijskog aspekta. U slučaju gravitacione astronomije, naučnicima nije bilo previše teško da shvate koja je to najvažnija buduća meta koju treba postaviti – sudar neutronskih zvezda.

Novo poglavlje

Istorijski naučni trenutak dogodio se i kada su astronomi uspeli da detektuju gravitacioni talas prouzrokovan sudarom neutronskih zvezda. I ne samo to, već su uspeli da prvi put vide isti fenomen optičkim teleskopom. Ukoliko zamislite univerzum kao tiho mesto, onda su sudari neutronskih zvezda epski spektakli u kojima se čuju fanfare.

Neutronske zvezde su sve ono što je potrebno za dobru, „svemirsku, gravitacionu akciju“. One su posledica evolutivnog kraja (smrti) masivnih zvezda. Od nekada masivne i velike zvezde ostalo je malo, gotovo ogoljeno, užareno jezgro koje u prečniku nije veće od Beograda. Međutim, elektronski gas je sabijen do te mere da masa jednog ovakvog objekta prevazilazi masu našeg Sunca.

Za detekciju gravitacionih talasa neophodno je da događaj bude što energičniji – zbog toga su fizičari pretpostavili da bi snimak međudejstva dveju neutronskih zvezda u više elektromagnetnih frekvencija moglo da bude nešto za čim nauka dugo traga. Naime, odranije je poznato da se elektromagnetni talasi prostiru u prostor-vremenu, dok je za razliku od njih gravitacioni talas posledica samog prostor-vremena.

Kako crnu rupu ne možemo direktno da posmatramo, astronomi su se fokusirali na neutronske zvezde. Ukoliko bi locirali dovoljno masivni sistem sposoban da uzrokuje gravitacioni talas, to bi značilo da bi i elektromagnetni zapis tog događaja bio izvodljiv. Zapravo, mogli bismo da dobijemo direktnu sliku kataklizmičkog događaja koji još niko nikad nije fotografisao.

Budući da je svemir ogroman (mahom „prazan“) prostor ispunjen milionima galaksija čiju evoluciju nauka još ne razume dovoljno, naučnici moraju da naprave vrlo dobre procene za svaki redak događaj – jedan od njih je pomenuti sudar neutronskih zvezda.

GW170817

Tačno 17. avgusta ove godine zabeležen je sudar dve neutronske zvezde; događaj koji je u katalozima označen kao GW170817. Kataklizmički susret dve neutronske zvezde uhvaćen je kombinovanim sistemom najsavremenijih detektora. LIGO i Virgo, zajednički su „markirali“ signal. Potvrda da je zaista reč o sudaru neutronskih zvezda došla je sa još jednog teleskopa. Iz astrofizike je poznato da takva eksplozija treba da oslobodi značajne količine gama zraka.

Svega dve sekunde nakon gravitacionog „bljeska“, svemirski teleskop Fermi „ulovio“ je gama bljesak. Mlaz tako visoke energije nedvosmisleno je odgovorio na pitanje šta je bio uzrok gravitacionog signala. Takođe, sa ovom potvrdom naučnici sada i definitivno znaju da je jedan od uzročnika kratkih gama bljeskova interakcija neutronskih zvezda.

Timovi astronoma su se „bacili“ u potragu za optičkim snimkom izvora ove eksplozije. Zvonili su telefoni na raznim krajevima sveta, naučnici su okretali velike teleskope na svim kontinentima sa jednim jedinim zadatkom – da snime izvor eksplozije u optičkom delu spektra. Potraga nije bila jednostavna. Nakon što je smanjen broj potencijalnih galaksija u kojima se eksplozija dogodila, astronomi su morali da čekaju nekoliko sati da bi precizno odredili mesto bljeska.

Za manje od dana, posle detekcije gravitacionog, došla je najzad i dugo očekivana potvrda o optičkom signalu. Saradnički tim astronoma sa Santa Kruz univerziteta u Sjedinjenim Američkim Državama, analizirao je pristigle teleskopske podatke markirajući prvi optički trag za GW170817. Sudar je lociran u eliptičnoj galaksiji NGC4993. Na desnoj strani slike prezentovanoj u radu koji su napisali Fouli i kolege, vidi se otisak eksplozije. Na snimku istog mesta nekoliko meseci ranije, taj otisak nije postojao. Pored optičkog, astronomska zajednica javnosti na uvid je prezentovala i snimke u ultraljubičastom i bliskom-infracrvenom delu spektra.

Iako su astronomi potajno verovali da će oslušnuti gravitacioni signal iz sudarajućih neutronskih zvezda, to nije nimalo jednostavno jer neutronske zvezde masa 1-2 sunčeve mase proizvode mnogo slabiji gravitacioni signal nego crne rupe. Simulacije koje su pokazivale kako taj događaj treba da izgleda, zajedno sa svim propratnim efektima. Jedan od tih efekata je i uticaj eksplozije na pravljenje težih hemijskih elemenata, poput zlata, platine ili uranijuma.

Eksplozija elemenata

Misterija odakle u svemiru potiču elementi teži od gvožđa dobila je i svoj odgovor. Astronomi su uspeli da svojim simulacijama predvide kako će izgledati optički zapis sudara neutronskih zvezda. To su učinili uzimajući u obzir raspodelu hemijskih elemenata. Zanimljivo je da stvaran odnos tih elemenata nastalih nakon eksplozije nisu znali. Analiza eksplozije pomoću snimaka u vidljivom delu spektra potvrdila je da se teorijska predviđanja gotovo savršeno poklapaju sa posmatranjima. Nekoliko dana nakon velikog otkrića najveći naučni časopisi bili su bukvalno preplavljeni radovima LIGO/Virgo kolaboracije.

Veliki broj tih radova analizira upravo model nastajanja težih hemijskih elemenata. Spekulacije da geneza težih hemijskih elemenata može da se uoči kroz silovite eksplozije neutronskih zvezda nije nova ideja – originalno ona datira još iz osamdesetih godina prošlog veka. Međutim, tek sa razvojem gravitacione astronomije, stara ideja dobila je novo ruho. Naučnici sa Berklija dobili su priliku da primene metod kojim bi u jednom „dahu“ mogli da otkriju dve stvari: gravitacioni talas i sliku njegovog izvora.

Vodonik i helijum, dva najlakša prirodna hemijska elementa, nastala su kao posledica Velikog praska. Zbog toga se vodonik i helijum nazivaju još i primordijalni elementi. Ostali elementi su nastali kao posledica evolucije zvezda, u fuzionim procesima. Pravljenje teških elemenata (npr. težim od gvožđa) zahteva posebne uslove u kojima su atomi neprekidno izloženi bombardovanju mnogobrojnih neutrona u prostoru.

U nuklearnoj fizici taj proces je poznat pod imenom „zahvat neutrona“ ili r-proces (r je od engleske reči rapid, što znači ubrzan, brz). Iako teorijski pretpostavljeni, do oktobra ove godine čekalo se i na posmatrački dokaz na pitanje – kakva sredina u svemiru treba da bude da bi stvorila srebro, zlato, platinu ili živu? Simulacija koju su u avgustu ove godine napravili Dženifer Barns i Den Kejsen sa Berklija, iznenadila je svojom preciznošću. Modelovati nešto što nikada nije viđeno zahteva ogroman trud i imaginaciju.

Kada je eksplozija u ranoj fazi, njena posmatrana svetlost je plava jer njom dominiraju lakši hemijski elementi kojima treba manje vremena da se sintetišu. Međutim, svetlost vremenom postaje crvenija usled stvaranja težih hemijskih elemenata. Oslobođeni lakši radioaktivni meterijal kreće se briznom od skoro trećine brzine svetosti, dok se mlaz sa težim hemijskim elementima (oni koji uzrokuju efekat „pocrvenjenja“ na snimcima) kreću sporije, ostvarujući brzinu 10-15 odsto od brzine svetlosti. Ostaci sudara masivnih neutronskih zvezda tako predstavljaju neprocenjiv materijal za naučnike. Radi se o pravoj laboratoriji u kojoj je moguće ispitivati miks plemenitih metala i radioaktivnih elemenata.