Konačno detektovano kako funkcioniše gravitacija

Nauka je stalno u pokretu, veliki i skupi projekti se odvijaju širom sveta, ali je takođe uočljivo da neka fundamentalna pitanja i dalje ostaju bez odgovora. Jedno od njih je svakako problem gravitacije. Iako još od ranog detinjstva saznajemo (empirijski) da je ona prisutna, i iako je njenu osnovnu formulaciju Isak Njutn objavio pre skoro 400 godina, naučnici još uvek tragaju za odgovorom na pitanje ko prenosi tu silu i da li je gravitacioni talas moguće nekako detektovati?

Sa druge strane, ništa manja misterija nije ni potraga za inicijalnim uslovima iz kojih se dogodio Veliki prasak. Kombinacija ova dva velika kosmološka pitanja zato se čini još komplikovanijim problemom. Hajde prvo da kažemo ponešto o samom Velikom prasku, toliko često pominjanom u medijima i svakodnevnim raspravama. Na osnovu čega verujemo da gravitacioni talasi zaista postoje? Naime, poslednjih decenija, nekoliko otkrića je dovelo do nedvosmislenog zaključka da se svemir ubrzano širi (otkriće mikrotalasnog zračenja, a kasnije i merenje fluktuacija u temperaturi istog tog zračenja) - za to su dodeljene i Nobelove nagrade, poslednja 2011. godine upravo timu koji je računao kojom brzinom svemir uvećava svoju "zapreminu". Kako onda takve zaključke povezujemo sa prošlošću, tj. šta nam neravnomerna temperatura svemira i njegovo širenje mogu reći o prvim trenucima nastanka?

Kada se uradi ekstrapolacija (predviđanje ponašanja sistema na osnovu poznatih podataka) od današnjeg ka prošlom kosmičkom vremenu, Ajnštajnova teorija relativnosti navodi nas na zaključak da su u nekom vremenskom trenutku daleke prošlosti (najnovija merenja sugerišu da su to bilo pre 13.772 milijardi godina) temperatura i gustina bile beskonačno velike. Ako se malo prisetimo matematike iz srednje škole, zaključićemo da je sa tako velikim (infinitnim) vrednostima nemoguće definisati neku funkciju. Drugim rečima, opšta teorija relativnosti u takvoj sredini prestaje da važi! Od tog momenta, primat preuzimaju kvantni efekti koji su trajali svega 10^-43 sekundi! Bez obzira na tako sićušnu vrednost, ono što mislimo da se izdešavalo u tom deliću vremena zapravo čini osnov svega ostalog što danas posmatramo u Kosmosu.

U kontekstu fizike čestica, najvažnija stvar koju Ajnštajnova opšta relativnost predviđa jesu upravo gravitacioni talasi. Oni nastaju u procesima koji sadrže intenzivno oscilovanje prostor-vremena, na primer stapanje centara galaksija ili pak dvojnih sistema kompaktnih kosmičkih objekata (crne rupe, neutronske zvezde). Za jedno takvo otkriće, doduše posredno, dodeljena je Nobelova nagrada 1993. godine astrofizičarima Tejloru i Hulsu.

Oni su pokazali gravitacioni uticaj u trajnom smanjenju perioda orbite dvojnih neutronskih zvezda. Vreme raspada takve orbite prema teoriji relativnosti savršeno je potvrđeno merenjima ove dvojice naučnika. Međutim, da bi se i direktno pronašli i detektovali gravitacioni talasi, potrebni su mnogo moćniji sistemi.

Šta je značaj ovog otkrića i kako se do njega došlo?

Prvo treba da objasnimo šta je BICEP (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization). U pitanju je osetljivi radio teleskop koji je sastavljen od 98 osetljivih detektora koji se nalaze na Južnom Polu, a frekvencija talasa koji se snimaju je između 100 i 150 GHz. Zapravo, ono što BICEP meri jeste polarizacija (orijentacija električnog polja tog talasa) u prostoru. S obzirom da danas znamo da svemir ispunjava "kosmičko pozadinsko zračenje" koje je zapravo ništa drugo nego "ohlađeno" zračenje zaostalo iz vremena ranog kosmosa, tada BICEP merenja dobijaju na važnosti, jer direktno mere vrlo osetljive promene koje teorija predviđa da su se dogodile u onih majušnih 10^-43 sekundi.

BICEP detektor na Južnom Polu

Jedno od najvećih i najsmelijih teorija je teorija po kojoj je svemir naglo povećao svoju zapreminu za svega nekoliko milijarditih delova sekunde - tačnije, pretpostavka je da je širenje bilo toliko brzo i veliko, da je temperatura opala za 100 000 stepeni! Važna posledica toga jeste predviđanje da sve što se desilo u tom kratkom, ali šokantnom periodu svemirske istorije, potiče od gravitacionog kolapsa izazvanih kvantnim fluktuacijama. Dakle, ono što se desilo u inflaciji odgovorno je za izgled spektra pomenute mikrotalasne pozadine. Odatle i ideja da se istraže gravitacioni efekti.

Problem je, međutim, što je kosmička mikrotalasna pozadina mnogo jača od gravitacione pozadine. Takođe, još mnogo drugih efekata otežava merenja, poput galaktičke prašine ili polarizacije koje potiče od jakih radio-galaksija. Prema tome, BICEP je na Južnom Polu snimao promene u zračenju koje je poteklo od vremena kada je naš svemir bio svega 380 hiljada godina star, i kada je bio dovoljno prozračan da pusti te fotone da otputuju na sve strane vidljivog Kosmosa.

Efekat koji su naučnici detektovali u ovom slučaju je jedinstvena osobina gravitacionih talasa – da “skupe” Univerzum u jednom pravcu tako da izgleda topliji na datoj mapi, a u drugom smeru da razvuku prostor, što na mapi oslikavaju hladnija mesta. Kao što smo pomenuli ranije, teškoća u analizi ovakvih efekata je ogromna jer se radi o razlikama u temperaturi manjim od sto hiljaditog dela Kelvina!

Ovo je kratak video o tome na koji način su snimljene pomenute fluktuacije.



Ovo otkriće otvara vrata za potvrdu velikih teorija koje su se trudile da objasne i predvide ponašanje svemira u ranim trenucima, pogotovo inflatornu teoriju koja je predvidela tačan vremenski razmak u kojem se enormna ekspanzija dogodila. Zbog toga smo od danas korak bliži konačnom odgovoru na večito pitanje – koji su bili početni uslovi koji su doveli do Velikog praska.

Više na Nature.