Pe 11 februarie 2016 aflam, pentru prima oară în istoria civilizației umane, au fost descoperite, direct, undele gravitaționale produse în urma fuziunii a două găuri negre. A fost un moment de sărbătoare, chiar și pentru cei care nu erau pasionați de astrofizică, deoarece evenimentul a fost prezentat cu mult fast în mass media. Anul acesta, la sfârșitul lunii iunie, a fost făcut un anunț la fel de important, dar care nu a mai primit atenţia meritată. Este vorba de detectarea fondului de unde gravitaționale.
Puțină istorie
Povestea undelor gravitaționale, pe care v-am spus-o de mai multe ori, începe pe 2 decembrie 1915, zi în care Albert Einstein publică articolul „Die Feldgleichungen der Gravitation” (Ecuațiile de câmp ale gravitației), în care se descriu fundamentele Teoriei Generale a Relativității. Pe scurt, pentru cititorii mai noi ai revistei, voi spune că Teoria Generală a Relativității spune că 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. Printre sursele de unde gravitaționale, care au fost deja observate direct, se numără ciocnirea găurilor negre sau a stelelor neutronice.
Primul fizician care a studiat undele 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 nouă lucrare: „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. Revista, prin intermediul examinatorului lucrării, Howard Percy Robertson, care lucra în acea vreme la Universitatea Princeton, le atrage atenția autorilor că în textul transmis s-au strecurat câteva greșeli importante. Einstein se înfurie și decide să trimită lucrarea către o altă revistă, Journal of the Franklin Institute. Furia i-a rămas și niciodată nu va mai trimite articole către Physical Review Letters.
Totuși, chiar orgolios și furios, Einstein a rămas un adevărat om de știință. Mai târziu, 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. Articolul a fost publicat în ianuarie 1937 în Journal of the Franklin Institute.
Cum funcționează un telescop pentru undele gravitaționale? Cu o altă ocazie vă sugeram să vă imaginați un fascicul laser care 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 va produce fenomenul numit interferență optică. 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 (o variantă a acestei metode a fost folosită pentru experimentul Michelson Morley) 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…
Și totuși, în ciuda acestor obstacole ce păreau de netrecut, în 2015 aveau să fie detectate direct, pentru prima oară, undele gravitaționale. După o analiză severă a datelor obținute, pe 11 februarie 2016 avea să fie făcut marele anunț.
Fondul de unde gravitaționale
Structura Universului oscilează în permanență. Frecvența undelor gravitaționale se poate întinde pe o plajă foarte mare de valori. Telescoapele actuale de unde gravitaționale le detectează doar pe cele ce au frecvențe de ordinul kilohertzilor, care rezultă în urma unor evenimente catastrofice. Dar teoria ne spunea că ar trebui să existe și unele care au frecvențe extrem de mici, de ordinul nanohertzilor, care creează un fond de unde gravitaționale. Ele pot fi produse de multe surse, cum ar fi găurile negre supermasive care orbitează una în jurul celeilalte, sisteme binare de stele neutronice etc. După cum vedeți avem de-a face cu fenomene similare cu cele care produc undele detectate de către telescoapele gravitaționale actuale. Există totuși o diferență: obiectele care alcătuiesc perechea sunt separate de o distanță relativ mare, ceea ce face ca perioada de rotație a sistemului să fie lungă. Telescoapele gravitaționale de tip LIGO pot surprinde numai fazele finale ale evoluției acestor perechi cosmice, cu numai câteva momente înainte ca ele să fuzioneze.
Atunci când vrem să detectăm unde gravitaționale cu frecvențe de ordinul nanohertzilor avem nevoie de detectoare cu dimensiuni mult mai mari decât cele ale Pământului. Pentru a îl realiza, astrofizicienii și-au îndreptat atenția asupra Căii Lactee, în care au căutat componentele necesare realizării unei antene capabile să detecteze unde gravitaționale cu frecvențe extrem de joase.
O echipă alcătuită din mai mult de 190 de cercetători din SUA și Canada au înființat programul North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) și, în urmă cu mai bine de 15 ani, au pornit în căutarea lor folosindu-se de radiotelescoape și pulsari.
Să vedem despre ce este vorba.
Pulsari și unde gravitaționale
Principiul care stă la baza detectării undelor gravitaționale care au frecvențe de ordinul nanohertzilor este relativ simplu. Așa cum știți se întâmplă ca stelele neutronice să se rotească rapid în jurul propriei sale axe. Astfel ele devin pulsari, care, prin mecanisme asupra cărora nu voi insista, vor transmite către Terra semnale radio la intervale extrem de regulate. (În 1967, atunci când Jocelyn Bell, semnalele lor erau considerate ca fiind posibil să fie emise de către civilizații extraterestre). Vreau să precizez că perioada semnalelor radio emise de pulsar scade în timp, pe măsură ce acesta ”îmbătrânește”, dar această scădere are o viteză extrem de mică și este constantă în timp. În schimb, datorită fondului cosmologic de unde gravitaționale, care produce deformări ale spațiu-timpului, cu frecvențe de ordinul nanohertzilor, vom avea variații regulate ale perioadei semnalelor radio ce ce ne vin de la pulsari. Observarea variației periodice ale semnalelor radio transmise de către un singur pulsar nu este suficientă pentru a afirma că ea a fost provocată de către fondul de unde gravitaţionale. Este nevoie să fie observați simultan numeroși pulsari, pentru a vedea dacă variațiile de perioadă se corelează între ele și nu sunt consecința unor erori de măsurare.
Cercetătorii NANOGrav au urmărit 67 de pulsari, timp de 15 ani, cu ajutorul radiotelescoapelor din Arecibo (Puerto Rico), Green Bank și VLA (Very Large Array). Pentru a avea conformarea detectării fondului de unde gravitaționale, cercetătorii au dezvoltat soft-uri cu ajutorul cărora de realiza comparare sincronizării perechilor de pulsari din rețeaua selectată. Undele gravitaționale modifică diferit această sincronizare, în funcție de poziția pulsarilor pe cer, chestie care a fost determinată teoretic de către cercetători Ron Hellings și George Downs de la Jet Propulsion Laboratory. Așa cum vă spuneam, au fost necesari 15 ani de observații pentru a ajunge la concluzii, un timp uriaș pentru cv-urile cercetătorilor implicați în program. Și pentru că vreau să vă arăt că a fost vorba de un program de cercetare de o dificultate extremă, cercetătorii NANOGrav au fost nevoiți să identifice efecte de ordinul doi, cum ar fi mișcarea proprie a pulsarilor, perturbațiile provocate de electronii liberi din galaxia noastră, instabilitatea ceasurilor de referință ale radiotelescoapelor și chiar de locația precisă a centrului Sistemului Solar, care a fost determinată cu ajutorul misiunilor Juno și Cassini ale NASA.
Cauza fondului de unde gravitaționale
Avem deja ipoteze despre fenomenele implicate în producerea fondului de unde gravitaționale, pe care vi le-am prezentat mai devreme. Acum ne-am aștepta că, o dată cu confirmarea existenței lor, să trecem dincolo de ele. Din păcate, încă dispunem de prea puține date pentru a putea să fie realizat un model teoretic.
Principala ipoteză avută în vedere este că fondul de unde gravitaționale este produs de către sisteme binare de găuri negre supermasive. Datele obținute cu ajutorul programului NANOGrav confirmă această ipoteză, dar ridică o mare problemă. Ele arată că sistemele binare de găuri negre supermasive ar trebui să fie mult mai multe, sau cu mase mult mai mari, decât este acceptat în prezent de către astrofizicieni. Dacă asta ar fi adevărat ar trebui să modificăm modelele de formare a galaxiilor și felul în care Universul este structurat la scară mare.
Ar mai fi și alte căi de producere a fondului de unde gravitaționale. Una dintre ele ar fi ca el să fie generat de ”defectele” din Universul extrem de timpuriu. Ele ar fi lăsat ”urme” în structura spațiu-timpului, ceva similar cu crăpăturile care apar atunci când apa lichidă se transformă în gheață. O altă explicație se bazează pe undele gravitaționale primordiale, care au fost generate în scurta perioadă inflaționară, în care expansiunea Universului a fost una exponențială.
Din păcate, așa cum vă spuneam, astrofizicienii au la dispoziție prea puține date pentru a putea decide care dintre posibilitățile de mai sus este cea reală.
Evident, ei au nevoie de mult mai multe date. Radiotelescoape construite recent, care sunt mult mai performante decât cele folosite în cadrul programului NANOGrav, îi vor ajuta să măsoare perioadele de rotație a pulsarilor cu o precizie mult mai mare. De asemenea va crește numărul pulsarilor analizați.
Încheiere
Poate că va trebui să așteptăm alți 15 ani pentru a fi clarificată originea fondului de unde gravitaționale. Eu cred că merită așteptarea. Am deschis încă o fereastră pentru observarea Universului și, sunt sigur de asta, vom vedea lucruri din ce în ce mai fascinante.
