Gravitacijos raibuliai: bangų gaudymo lenktynės

Tai priminė Oskarų teikimą, tik vietoje kino garsenybių čia buvo fizikai. Trys šimtai jų susirinko į pokylių salę Arcadia'joje, Kalifornijoje; dar 100 prisijungė vaizdo ryšiu. Visi laukė voko atplėšimo.

Įvykio blizgesio trūkumą (atsiprašau, fizikai), kompensavo drama. Kitaip, nei su Holivudo apdovanojimais, žinia voke galėjo juos visus padaryti nugalėtojais arba visus – pralaimėtojais.

Drama prasidėjo prieš pusmetį, kai mokslininkai visame pasaulyje pastebėjo neįprastą signalą.

Jie ieškojo gravitacinių bangų – efemeriškų visatos audinio raibulių, kurie yra paskutinė nepatikrinta Einšteino bendrosios reliatyvumo teorijos prognozė. Manoma, kad tokias bangas gali sukelti žvaigždžių susidūrimai, juodųjų bedugnių (JB) formavimasis ir pats Didysis sprogimas (DS). Tačiau joms nukeliavus neišpasakytai toli per erdvę iki Žemės, šis bangavimas tėra maždaug 1/1000 mažiausio atomo branduolio pločio, taigi jį be galo sunku aptikti. Tačiau jų atradimas revoliucionuotų visatos tyrimus.

Kai toks tikslas, nenuostabu, kad visa gravitacijos tyrėjų karta praleido savo karjeras, kurdama įrangą, galinčią užfiksuoti tuos ultrasubtilius signalus. Ambicingi, bet nejautrūs detektoriai pusę amžiaus buvo naujinami ir tobulinami, siekiant izoliuoti juos nuo menkiausių trukdžių. Pastangos priartino mus prie aptikimo, bet atkaklus siekimas irgi turi savo kainą. „Daugybė žmonių ėmė galvoti, kad nesvarbu, kokį signalą mato, tai tėra triukšmas,“ sako Martinas Hendry'is, gravitacijos bangų fizikas iš Glazgo universiteto, JK.

Būtent todėl aukštutiniai užduoties vykdytojų ešelonai kartais į duomenis „įterpia“ netikrus signalus, kad laikytų eilinius pasirengusius. Nors niekas negalėjo visiškai užgniaužti įtarimo, kad jų aptiktas neįprastas signalas buvo vienas iš tokių testų, tyrėjai uoliai ėmėsi darbo.

Po šešių mėnesių kruopščios analizės visi buvo įsitikinę, kad jie užfiksavo dviejų mirusių žvaigždžių susidūrimo, sukūrusio JB, sukeltas gravitacijos bangas. Signalas atskriejo nuo Didžiųjų Grįžulo ratų žvaigždyno, taigi tyrėjai įvykį praminė Didžiuoju Šunimi. Iki analizavimo pabaigos negalėdami pranešti apie jį išoriniam pasauliui, jie susirinko Kalifornijoje 2011 kovą, kad nuspręstų, ką daryti toliau.

„Bendradarbiai nusprendė pateikti dokumentą, kuriame teigiama, kad yra [gravitacijos bangų – red. past.] aptikimo įrodymų,“ prisimena Hendry'is, buvęs kambaryje prieš paskutinį barjerą: laiško, turėjusio atskleisti, ar signalą į sistemą paleido vadovybė, atplėšimą. „Prisimenu, galvojau, kaip staiga pasikeistų pasaulis, jei tai būtų tikras signalas,“ sako jis.

Kai buvo atvertas laiškas – iš tiesų, PowerPoint pristatymas – pasaulis liko koks buvęs. Žinodama, kaip JB gravitacinės bangos turėtų atrodyti, sklisdamos per Žemę, vadovybė tinkamu būdu ir tinkamu laiku slapčia supurtė detektorius. Didysis Šuo buvo dirbtinis įsikišimas.

Bet vieną dieną tai gali būti tikras signalas. Gravitacinių bangų detektoriai abiejose Atlanto pusėse dabar iš esmės atnaujinami, siekiant padidinti jų jautrumą. Ir kai didžioji diena išauš, astronomai įgaus, nelyginant, naują pojūtį.

Kol kas didžioji dalis mūsų kosminių žinių radosi iš regos – naudojant teleskopus, surenkančius šviesą ir kitas elektromagnetinio spinduliavimo formas, tarp kurių radijo bangos, infraraudonieji ir rentgeno spinduliai. „Dabar norime ir paklausyti visatos,“ sako Stefano'as Vitale'is iš Trento universiteto Italijoje.

Pagauk bangą

Bet kaip aptikti erdvėlaikio raibulius?Virgo interferometras, stovintis Cascina'oje, Italijoje, yra gravitacinių bangų aptikimo avangarde. Jis susideda iš dviejų atšakų po tris kilometrus, tarp kurių yra status kampas. lazerio šviesa tuo pačiu metu keliauja abiem atšakom, o galuose stovintys veidrodžiai padidina šviesos nukeliaujamą kelią iki maždaug 100 kilometrų.

Įprastai lazerio spindulys kelionėje turėtų užtrukti vienodą laiką. Tai patikrinama, sulyginant spindulius jų kelionės gale ir pažiūrint, ar išliko jų sinchroniškumas. Jei pereitų gravitacinė banga, lazerio nueinamas kelias šiek tiek pasikeistų, pirmiausia vienoje atšakoje, paskui kitoje. Tai reiškia, kad signalai išsiderintų ir paskui vėl sugrįžtų į normą.

Tokia pati technika naudojama Lazerinio interferometro gravitacinių bangų observatorijoje (LIGO) JAV. Ji turi du detektorius Hanforde, Washingtono valstijoje ir vieną Livingstone, Louisiana'oje. Gravitacinių bangų medžioklė Virgo ir LIGO detektoriais nutrūko 2010 m., atliekant patobulinimus. Viskas pagerinta taip, kad jautrumas padidėjo maždaug 10 kartų. Lygindami Europos ir Amerikos detektorių signalus, fizikai, trianguliuodami, gali surasti atskriejančios gravitacinės bangos kryptį ir nustatyti jos šaltinį.

Kai trijų detektorių veikimas bus atnaujintas 2016 m., mokslininkai mano, kad pirmasis gravitacinės bangos aptikimas tebus laiko klausimas. „Maždaug 2016 m. gale ar 2017 m. pradžioje tikimės pasiekti reikiamą jautrumą, kad aptikimo tikimybė imtų darytis visai nemenka,“ sako Hendry'is.

Koks bebūtų pirmasis aptikimas, darbas dar toli gražu nebus baigtas. Taip pat, kaip elektromagnetinis spektras apima labai platų bangų ilgių diapazoną, nuo radijo bangų ir mikrobangų iki šviesos ir gama spindulių, gravitacinių bangų spektras yra taip pat platus. Yra daug įmanomų bangos ilgių, sukeliamų skirtingų dangaus objektų. Ne visi jie aptinkami Žemės paviršiuje.

Žemėje įsikūrę detektoriai gali aptikti tik didesnio dažnio bangas, kurios, tikimasi, sklinda formuojantis mažoms JB, sprogstant žvaigždėms ar susiduriant neaktyvioms žvaigždžių šerdims.

Jei norime aptikti dėl supermasyvių JB maitinimosi ar susiliejimo su kitomis supermasyviomis JB, susiduriant galaktikoms, atsirandančias gravitacines bangas, teks detektorius pakelti į kosmosą. Tenai mažo dažnio gravitacinių bangų neužgoš Žemės vidaus seisminis grumėjimas.

2015 m. liepą, Europos kosmoso agentūra (ESA) paleis LISA Pathfinder zondą. Sukurtas aptikimo technologijos išbandymui, jis yra esminis pirmasis žingsnis, būtinas visos apimties gravitacinių bangų misijai į kosmosą.

LISA Pathfinder širdis bus du identiški metaliniai kubai, pagaminti iš 2 kilogramų aukso ir platinos. Bet šios metalinės širdys neplaks; veikiau visiškai atvirkščiai. „Jos bus ramiausias dalykas Saulės sistemoje, ir galvoje turiu išties ramus. Nieko tokio ramaus niekada nebuvo pagaminta,“ sako Vitale'is, vyriausiasis misijos tyrėjas.

Bandymo masės bus įtvirtintos pakilimui, o tada atpalaiduotos, kai zondas pasieks orbitą. Po to jie laisvai plūduriuos viduje, maždaug 35 cm vienas nuo kito.

Pakeista gravitacija

Viduje esantis lazerio mechanizmas stebės jų santykinio judėjimo pokyčius. Jis aptiks vienos milijardosios milimetro dalies – pikometro (10^-12 m) – judėjimą. Tai yra tūkstantį kartų tiksliau, nei pastarieji tokie ESA sukurti jutikliai, skrieję jos GOCE misijoje matavusioje Žemės gravitacinį lauką iš orbitos.

Jei su LISA Pathfinder viskas vyks gerai, kitą kartą tokios testinės masės skris, visos apimties LISA misijoje, kurios tikėtino paleidimo data yra 2028 m. ar 2034 m. Tada, užuot buvę vos už 35 cm vienas nuo kito, jie bus trijuose skirtinguose zonduose, skriesiančiuose vienas nuo kito iki 5 milijonų kilometrų atstumu. Tokiu atstumu jie galės naudoti lazerius, aptikdami nedidelius zondo krustelėjimus nuo prasiritančių gravitacinių bangų.

Tai labai pradžiugintų kiekvieną gravitaciją tiriantį fiziką; neminint to, kad suteiktų daug darbo, analizuojant signalus. Tačiau LISA Pathfinder gali pasitarnauti mokslui daugiau, nei kas anksčiau įsivaizdavo.

Jei mažai, bet didėjančiai, mokslininkų ir inžinierių grupei pavyks, LISA Pathfinder gali transformuotis į kažką daugiau, nei vien technologijos demonstravimą. Jis galėtų tapti didingiausiu gravitacijos eksperimentu nuo 1919 m., kai britų astrofizikas Arthuras Eddingtonas patvirtino Einšteino bendrąją reliatyvumo teoriją, darbą, praplėtusį Izaoko Niutono traukos dėsnius paties Einšteino specialiąja reliatyvumo teorija.

Per Saulės užtemimą Eddingtonas parodė, kad šviesa, skriedama iš tolimo žvaigždžių spiečiaus į Žemę, buvo išlenkta Saulės. Šis „lęšiavimas“ vyksta tik labai stiprios gravitacijos sąlygomis. To Niutonas, kurdamas savo dėsnius, nesitikėjo, bet Einšteinas teisingai numatė. Eddingtono patvirtinimas buvo įmanomas, nes teleskopai tapo pakankamai tikslūs, kad galėtų išmatuoti šį efektą.

Daugelis fizikų daro prielaidą, kad Niutono dėsnis neveikia tik stipriame gravitaciniame lauke, šalia masyvių dangaus kūnų, tarkime, žvaigždės, galaktikų spiečiaus ar JB. Visur kitur jie laiko, kad gravitacija elgiasi taip, kaip nurodė Niutonas: silpnėja ketvirčiu, kas kart padvigubėjus atstumui nuo galaktikos centro. Toks mąstymas paskatino tamsiosios materijos „atsiradimą“ – nematomos medžiagos, gravitaciškai suklijuojančios besisukančias atskiras galaktikas ir surišančias galaktikas vieną su kita spiečiuose. Nors niekas nežino, kas tamsioji materija yra, daugelis astronomų mano, kad ji egzistuoja.

Tačiau daug stebėjimų gali būti paaiškinti, jei galaktikos žvaigždes trauktų stipriau, nei numatė Niutonas. Žymiausias iš tokių „modifikuotos gravitacijos“ scenarijų vadinamas modifikuota Niutono dinamika, arba tiesiog MOND. Mordechai'aus Milgromo, tada iš Princetono universiteto, pasiūlyta 1983 m., MOND taikoma tik vietose, kur gravitacijos pagreitis nukrenta žemiau tam tikro mažo lygio.

Tokias vietas 2006 m. nurodė Jacobas Bekensteinas iš Hebrew universiteto Jeruzalėje, Izraelyje ir João Magueijo iš Imperijos koledžo Londone. Jų skaičiavimai atskleidė tam tikrus Saulės sistemos regionus, vadinamus balno taškais, kur visų planetų, jų palydovų ir Saulės gravitacija viena kitą panaikina (žr. „Vėl balne“).

Jei LISA Pathfinder būtų galima pasiųsti per vieną tokių ar šalia balno taškų, tada jo jautri lazerių sistema galėtų patikrinti Niutono traukos dėsnį modifikuotos gravitacijos režimais. „Jei pamatytume ką nors netikėto, galėtume gana užtikrintai sakyti, kad gravitacija nėra tai, kuo manėme ją esant; yra „gravitacija plius“,“ sako Ali Mozaffari'is, irgi iš Imperijos koledžo.

Drauge su Magueijo ir kitais, Mozaffari'is tiria įmanomus LISA Pathfinder misijos praplėtimus. Kuo arčiau zondas atsidurs balno taško, tuo bus didesnis testo, stebinčio LISA Pathfinderio metalinių kubų išsiskyrimą, tikslumas. Jei instrumentas veiks kaip tikimasi ir zondas pasieks balno tašką 50 kilometrų atstumu, MOND numatomas gravitacijos pokytis turėtų būti ryškus, kaip skaudantis nykštys. Netgi jei į tašką būtų katastrofiškai nepataikyta maždaug per 400 kilometrų, vis vien signalas būtų pakankamai stiprus, kad būtų galima skelbti apie atradimą, tvirtina Mozaffari'is, publikavęs savo įžvalgas pernai (arxiv.org/abs/1204.6663v2).

Po Milgromo pirmojo pasiūlymo pasirodė daug modifikuotos gravitacijos versijų. Ar signalą galima panaudoti, nustatant, kuri būtent, yra vykstančio darbo klausimas. „Daug žmonių pateikė prognozes, ką šiuo klausimu turėtų rodyti jų teorijos,“ sako Mozaffari'is. Bet iš tiesų susieti signalą su konkrečia teorija sunkiau, pažymi jis. „Tai tebevykstantis darbas.“

Prisiartinimas prie balno taško ir nieko netikėto neradimas būtų paprastesnis variantas, kadangi leistų nubrėžti griežtas ribas modifikuotos gravitacijos teorijoms, o kai kurias gal netgi visiškai atmestų.

Norėdama atlikti šį eksperimentą, ESA turėtų leisti praplėsti LISA Pathfinder misiją, kai gravitacinių bangų technologija bus visiškai pademonstruota ir suprasta. Vitale'is sako, kad demonstracija turėtų likti misijos pagrindiniu prioritetu. „Dar nepasakyčiau, kad esu pasirengęs vykti į balno tašką,“ sako jis. „Jei turime atlikti papildomų testų su mūsų gravitacinių bangų detektoriumi, tai bus mūsų aukščiausias prioritetas.“

Bet balno taškas jį traukia. „Tai išties unikalus instrumentas ir kai padedi unikalų instrumentą į unikalią vietą, visada kažką sužinai,“ pažymi Vitale'is.

Be abejonės, yra apčiuopiamas susijaudinimas tiek dėl LISA Pathfinder, tiek dėl gravitacinių bangų aptikimo galimybės antžeminiais instrumentais. „Esu nusiteikęs taip pat entuziastingai, kaip ir pačią pirmąją dieną,“ sako Vitale'is. „Turi toks būti. Jei kažkuo netiki, tai nenutinka.“

To istorinio pirmojo užfiksavimo data buvo paskutinis aptariamas klausimas gravitacinių bangų konferencijoje liepą. Preliminari susirinkusių fizikų sutarta data buvo 2017 sausio 1 d.

Hendry'is tikisi, kad taip nebus. Gal tai ne Oskarai, bet, kaip škotas, jis iš vakaro lankysis kitame vakarėlyje. „Nurodžiau, kad bent jau aš tą dieną neketinu būti kur nors šalia kompiuterio,“ sako jis.

Stuart Clark
New Scientist, № 2935