A fost 11 februarie 2016, o zi în care s-a adăugat o pagină fundamentală în cartea de istorie a fizicii. Pentru prima oară au fost detectate direct undele gravitaționale, prezise cu un veac și câteva luni în trecut de Albert Einstein prin a sa Teorie generală a relativității. Avem de-a face nu numai cu un rezultat științific excepțional, ci și cu o sfidare a imposibilului.
Meditați un pic numai la un singur aspect: pentru a obține rezultatele comunicate acum un an, au trebuit să fie măsurate deformări ale structurii spațiu-timpului echivalente cu circa o miime din diametrul unui proton. Sau, dacă preferați o altă comparație, este ca și cum am măsura o variație echivalentă cu grosimea unui fir de păr a distanței dintre Pământ și cea mai apropiată stea de Sistemul Solar, care este de circa 4,2 ani lumină.
Și totuși… Voi vorbi ceva mai încolo despre metoda folosită pentru a detecta undele gravitaționale. Vreau, înainte de orice, să vă introduc în noua lume care ni s-a deschis odată cu anunțul din 11 februarie 2016, o zi istorică. Deși uneori voi deveni un pic cam tehnic, să purcedem curajos la poveste.
14 SEPTEMBRIE 2015
Marco Drago, un cercetător în vârstă de 33 de ani, se afla la sediul Institutului Max Planck pentru Fizica Gravitației, din Hanovra, Germania. Misiunea lui era aceea de a analiza datele transmise de către două dintre observatoarele pentru unde gravitaționale LIGO (o să discut mai târziu despre ele), amplasate în SUA. Părea a fi una din acele plicticoase zile banale.
În timp ce discuta la telefon cu unul dintre colegii lui din Italia, Drago primește, la ora locală 11:53, un e-mail, un mesaj automat care avea să îi schimbe viața. În mesaj i se semnala că ambele observatoare pentru undele gravitaționale LIGO din SUA au înregistrat un „eveniment”, care se produsese la ora 11:50:45.
Mesaje similare mai primise și în trecut, dar de această dată semnalul era neobișnuit de clar și de puternic, care i-a atras imediat atenția. „Raportul semnal/zgomot avea valoarea 24, în timp ce de obicei avea valoarea 10”, avea să declare Drago mai târziu. Așa cum bănuiți deja, semnalul părea a fi produs de către undele gravitaționale detectate de către cele două observatoare.
Reacția lui Drago? Credeţi că a sărit în sus de bucurie? Nici pe departe nu a reacționat în acest fel. Deși semnalul recepționat era clar și puternic, Drago știa foarte bine că există un sistem care are menirea de a amâna entuziasmul. În sistemele celor două observatoare de unde gravitaționale se injectau, din când în când, semnale false, tocmai pentru a obliga cercetătorii la o analiză profundă a datelor. Numai câțiva dintre cercetători cunoșteau momentul injectării acestor semnale false.
Ca o paranteză, se mai înregistrase un semnal similar în 2010. Entuziasmul a fost mare și imediat a fost pregătit pentru publicare un articol științific. Abia în ultimul moment cercetătorii au fost informați că nu a fost vorba decât despre un test. „Nimeni nu s-ar fi așteptat la un semnal atât de clar, așa că am presupus că este vorba despre o injectare”, avea să comenteze Drago.
A urmat o perioadă agitată, cercetătorul italian a trimis e-mail-uri către toți cercetătorii LIGO, pentru a afla dacă cineva a injectat un semnal de test în sistem. Nu s-a primit niciun răspuns afirmativ. În mod oficial, pe 18 septembrie s-a declanșat procesul de analiză detaliată a semnalelor identificate de Drago. Dar asta este o poveste pe care o voi spune ceva mai încolo.
Deocamdată, vreau să ne întoarcem în timp, în anul 1915, când Einstein publica Teoria Generală a Relativității.
TEORIA
Despre drumul parcurs de Einstein până la publicarea, pe 2 decembrie 1915, a articolului „Die Feldgleichungen der Gravitation” (Ecuațiile de câmp ale gravitației), în care se descriu fundamentele Teoriei Generale a Relativității, am vorbit cu altă ocazie. Acum vreau să vă reamintesc câteva lucruri, la care voi adăuga o mică întâmplare al cărei personaj principal este Einstein, un Einstein supărat.
Foarte pe scurt: conform Teoriei Generale a Relativității, gravitația este consecința directă a curbării spațiu-timpului în prezența unei mase. Cu cât masa obiectului este mai mare, cu atât curbarea spațiu-timpului este mai accentuată, rezultând o forță gravitațională mai intensă. În anumite condiții, obiectele foarte masive ce se deplasează produc perturbări ale spațiu-timpului, care se propagă cu viteza luminii, sub formă de unde gravitaționale.
Cele mai „puternice” surse de unde gravitaționale sunt reprezentate de fenomene cosmice catastrofice, cum ar fi ciocnirea a două găuri negre sau a două stele neutronice, colapsarea asimetrică a nucleelor stelelor mari pe timpul supernovelor, rotația stelelor neutronice care nu au o formă perfect sferică, sistemele binare alcătuite din stele neutronice sau găuri negre și chiar „explozia” inițială, de la nașterea Universului.
Tocmai am recitit ultimele paragrafe și îmi dau seama că au fost un pic cam seci, semănând mai degrabă cu o pagină de manual. Din acest motiv, vă rog să îmi dați voie ca în acest punct să introduc o mică digresiune, în care vă voi povesti despre supărarea lui Einstein.
Primul fizician care a „prezis” existența undelor gravitaționale a fost Albert Einstein, care le-a descris în lucrarea „Näherungsweise Integration der Feldgleichungen der Gravitation” (Integrarea aproximativă a ecuațiilor de câmp ale gravitației), publicată pe 22 iunie 1916 în revista Academiei Prusace de Științe. Totuși, în timp, Einstein a ajuns să se îndoiască de existența lor.
În 1936, împreună cu prietenul său Nathan Rosen, el elaborează o lucrare, care avea un titlu sugestiv „Do Gravitational Waves Exist?” (Există unde gravitaționale?), pe care o trimite către faimoasa Physical Review Letters (revistă care a găzduit pe 11 februarie 2016 și articolul istoric privitor la detectarea undelor gravitaționale). La întrebarea cuprinsă în titlul articolului, Einstein și Rosen dau un răspuns hotărât negativ.
Spre deosebire de revistele germane în care Einstein își publica articolele, Physical Review supunea articolele primite unei examinări externe înainte de publicare. Se pare că examinatorul lucrării lui Einstein și Rosen a fost fizicianul Howard Percy Robertson, care lucra în acea vreme la Universitatea Princeton, care a remarcat câteva greșeli, pe care le-a semnalat revistei americane.
Redactorul șef al acesteia, John T. Tate, îi returnează textul lui Einstein însoțindu-l de următorul text politicos: „Dragă profesore Einstein, îmi iau libertatea de a vă returna lucrarea dvs. și a dr. Rosen, referitoare la undele gravitaționale, împreună cu observațiile examinatorului. Mai înainte de a publica lucrarea dvs. aș fi foarte bucuros dacă ați lua în considerare criticile pe care le-a făcut examinatorul [lucrării].”
Lui Einstein nu i-a căzut deloc bine scrisoarea lui Tate. A fost de-a dreptul supărat. Furios, îi trimite americanului Tate o scrisoare în… limba germană! „Dragă domnule, noi (dl Rosen și eu) v-am trimis manuscrisul spre publicare și nu v-am autorizat să îl arătați specialiștilor înainte de publicare. Nu găsesc niciun motiv pentru a discuta comentariile – în orice caz eronate – exprimate de expertul dvs. anonim. Din acest motiv, prefer să public lucrarea în altă parte. Al dv Einstein. P.S. Domnul Rosen, care se află acum în Uniunea Sovietică, m-a autorizat să îl reprezint în această problemă.”
Zis și făcut. Einstein a trimis lucrarea, fără nici o modificare, către o altă publicație: Journal of the Franklin Institute. Să nu uităm, chiar orgolios și furios, Einstein rămânea un adevărat om de știință. Astfel, mai apoi, el și-a reanalizat manuscrisul și a identificat erori în versiunea inițială. Așa că i-a schimbat atât titlul, care avea să devină „On Gravitational Waves” (Despre undele gravitaționale), cât și concluziile: în noua versiune a lucrării, acestea își recăpătau dreptul la existență.
Există și un epilog al acestei întâmplări. Deși examinarea lucrării inițiale l-a ajutat pe Einstein să își corecteze greșeala, el, orgolios, nu a mai trimis niciodată manuscrise spre publicare către Physical Review Letter. În prezent, revista care i-a refuzat lui Einstein publicarea manuscrisului este una dintre cele mai importante reviste de fizică din lume, în timp ce Journal of the Franklin Institute, revista care nu proceda la examinarea independentă a lucrărilor primite înainte de publicare, a dispărut din peisaj…
Să revenim acum la undele gravitaționale.
Până pe 14 septembrie 2015, ele și-au avut confirmată existența doar indirect. Doi astrofizicieni, Russell Hulse și Joseph Taylor, au studiat un sistem binar alcătuit din două stele neutronice, aflat la circa 21.000 de ani lumină distanță de noi. Cei doi și-au îndreptat atenția asupra acestui sistem binar dintr-un motiv bine întemeiat. Deoarece cele două obiecte se rotesc în jurul centrului comun de masă, ele vor emite unde gravitaționale.
În urma acestui fenomen, sistemul binar va pierde constant o anumită cantitate de energie, care se traduce prin scăderea perioadei de rotație a celor două obiecte. Hulse și Taylor au reușit să măsoare această scădere a perioadei de rotație, iar rezultatele s-au suprapus perfect cu estimările teoretice. Rezultatele obținute au fost publicate în 1979, iar în 1993 cei doi au fost răsplătiți cu Premiul Nobel pentru această strălucită dovadă a existenței undelor gravitaționale.
Vă rog să remarcați că avem de-a face cu o confirmare indirectă. Deși solidă, ea nu era suficientă. Exagerând foarte mult, ne putem gândi că există un fenomen necunoscut care să ducă la scăderea perioadei de rotație a sistemului binar. Pentru o confirmare definitivă mai trebuia parcurs un pas important: detectarea directă a undelor gravitaționale.
DETECTAREA
Cum am putea detecta direct undele gravitaționale? Aceasta este întrebarea pe care și-au pus-o oamenii de știință. O primă tentativă practică de detectare a fost făcută către sfârșitul anilor 1960 de către fizicianul Joseph Weber. El s-a gândit că ar putea folosi drept detectoare de unde gravitaționale niște cilindri lungi de doi metri și cu diametrul de un metru, construiți din aluminiu ultrapur.
Calculele îi arătaseră că acești cilindri ar începe să vibreze sub acțiunea undelor gravitaționale, comportându-se ca niște uriașe antene. Amplitudinea vibrațiilor era extrem de mică, având cam același ordin de mărime cu cel produs de agitația termică a atomilor de aluminiu din rețeaua cristalină a cilindrilor, dar Weber era convins că va putea separa semnalul util (cel produs de undele gravitaționale) de zgomot (cel produs de agitația termică).
În 1969, și mai apoi în 1970, Weber a anunțat cu entuziasm că a reușit să detecteze undele gravitaționale. Din nefericire, măsurătorile lui nu au putut fi replicate și, mai mult, analizele ulterioare ale datelor colectate de Weber au ridicat serioase suspiciuni de manipulare a măsurătorilor.
O altă metodă de detectare directă a undelor gravitaționale a fost propusă în 1962 de rușii M. E. Gertsenshtein și V. I. Pustovoit și, independent de aceștia, în 1972 de către americanul Rainer Weiss. Cei trei au propus o metodă optică pentru detectarea undelor gravitaționale. Am să încerc să o prezint cât mai simplu cu putință. Deși cam tehnică, ideea metodei este relativ simplă și apelează la un interferometru, foarte asemănător cu cel folosit de Michelson și Morley pentru a încerca să pună în evidență existența eterului. Vă reamintesc că acest experiment a avut drept consecință apariția Teoriei Restrânse a Relativității.
Acum, imaginați-vă un fascicul laser ce este trimis către o oglindă semitransparentă, un „beam splitter”, care separă fasciculul laser în două fascicule: unul care își continuă nedeviat traseul, iar cel de-al doilea este reflectat la un unghi de 90 de grade. Fiecare fascicul va parcurge aceeași distanță, după care fiecare dintre ele va întâlni câte o oglindă, care vor trimite fasciculele înapoi către oglinda semitransparentă. Aici cele două fascicule se vor „reuni” și vor fi trimise către un fotodetector. Reunirea celor două fascicule laser produce fenomenul numit interferență.
Dacă cele două fascicule au parcurs exact aceeași distanță, cele două unde electromagnetice vor fi în fază, iar intensitatea fasciculului care ajunge pe fotodetector va fi egală cu cea a fasciculului furnizat de sursa laser. Dacă cele două distanțe nu sunt egale, intensitatea fluxului luminos care va ajunge pe fotodetector va fi mai mică, până la o anulare totală. Acum este suficient să studiem felul în care variază semnalul recepționat de fotodetector, pentru a putea măsura diferența dintre lungime parcursă de fiecare dintre cele două fascicule laser.
Deși principial simplă, aplicarea în practică a interferometriei se izbește de obstacole cumplite, aproape de netrecut. Trebuie să vă imaginați cum se poate izola întreaga instalație de orice perturbație exterioară, cum ar fi cea produsă de pașii unui om care se plimbă la câțiva kilometri distanță de instalație…
Deși pe planeta noastră funcționează mai multe interferometre destinate detectării undelor gravitaționale, doar două dintre ele au furnizat semnalul mult așteptat, cel care a fost identificat de Marco Drago, pe 14 septembrie. Este vorba despre detectoarele LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) amplasate la Hanford, statul Washington, și la Livingston, statul Louisina. Ambele sunt operate de către cercetători de la Caltech și MIT.
Ele au început să opereze încă din 2002, dar până în 2010 nu au obținut niciun rezultat. Au fost modernizate pentru a le mări de patru ori sensibilitatea. Laboriosul proces s-a desfășurat între 2010 și 2015, iar, în septembrie 2015, cele două detectoare LIGO au reînceput să măsoare micile perturbații ale spațiu-timpului produse de către undele gravitaționale. Acum putem să ne întoarcem la italianul cu care am început povestea.
LUNGUL DRUM CĂTRE DOVADĂ
Îl lăsasem pe Drago și pe colegii lui în ziua de 18 septembrie 2015, în momentul în care tocmai se începuse analiza oficială a semnalelor din 14 septembrie. Cercetătorii trebuiau să descopere care ar putea fi sursa semnalului recepționat de cele două detectoare LIGO. Aveau la dispoziție rezultatele obținute de teoreticieni, care simulaseră deja cum ar putea arăta semnalul produs de diferitele surse de unde gravitaționale.
Datele se suprapuneau cel mai bine cu cel produs de către un sistem binar format din două găuri negre care tocmai au fuzionat. Acest tip de semnal are o formă caracteristică: cu puțin timp înainte de fuziunea celor două găuri negre, asistăm la o creștere din ce în ce mai rapidă a frecvenței sale, pentru ca în momentul fuziunii să remarcăm și o creștere semnificativă a amplitudinii. În funcție de evoluția în timp a semnalului, se pot deduce caracteristicile găurilor negre care l-au produs.
Deşi paşii ce trebuiau parcurşi ar putea să vă pară simpli, pentru analiza completă a datelor au fost implicaţi aproape 1.000 de cercetători din toată lumea, care au comunicat prin aproximativ 5.000 de e-mail-uri! Trebuie să recunoaștem, a fost o muncă intensă. Astfel, s-a putut stabili că cele două găuri negre care au fuzionat aveau fiecare masa echivalentă cu 30 de mase solare, iar, în momentul fuziunii, energia undelor gravitaționale generate era echivalentă cu cea rezultată în urma convertirii totale în energie a trei mase solare! Un fenomen cu adevărat cataclismic.
CONCLUZII
Vedeți? M-am cam întins cu vorba, iar acum trebuie să închei povestea. De fapt, suntem abia la începutul unei alteia, pentru că ni s-au deschis alți ochi către Univers. Până acum eram limitați la observarea lui numai prin intermediul radiațiilor electromagnetice. Acum s-a deschis un nou capitol, cel al astronomiei bazate pe undele gravitaționale. Vom înțelege mai bine Universul, iar în fața noastră vor apărea noi mistere, care ne vor provoca să le dezlegăm.
Unul dintre ele este conținut chiar în această primă detectare a undelor gravitaționale. Cum s-a născut sistemul alcătuit din două găuri negre care au o masă atât de mare? Poate că vom avea răspunsul într-un viitor apropiat sau poate că va trebui să așteptăm mult timp găsirea lui. Vom mai avea destule ocazii să discutăm despre astronomia undelor gravitaționale.
