Einstein je imel prav: observatorij LIGO odkril gravitacijske valove!

Danes je velik dan kozmologijo in fiziko nasploh, saj so predstavniki ameriškega observatorija LIGO na novinarski konferenci sporočili, da so prvikrat v zgodovini uspeli zaznali gravitacijske valove. S tem so potrdili en, še nepotrjen del Einsteinove splošne teorije relativnosti, za katerega smo dokaz točno sto let (teorija je iz leta 1915, izpeljava gravitacijskih valov pa iz 1916). A pojdimo lepo od začetka, lahko pa tudi preskočite takoj na znanstveni članek.

Gravitacijski valovi so posledica pospeševanja in zaviranja vseh teles z maso. Podobno kot lahko oddamo elektromagnetno valovanje z mahanjem z nabitimi delci, lahko ustvarimo gravitacijske valove z mahanjem z masivnimi predmeti. Težava je te valove zaznati, saj je gravitacija daleč najšibkejša izmed štirih osnovnih sil. Tako zelo šibka je, da gravitacije med vsakdanjimi predmeti sploh ne opazimo, medtem ko privlačni sili mogočne Zemlje lahko pobegnemo z raketo, uravnoteži pa jo že razmajan stol. Skratka, gravitacija je šibka, njeni valovi pa izmuzljivi, če se milo izrazimo.

Spomnimo, da je završalo že leta 2014, ko je projekt BICEP2 objavil, da so odkrili gravitacijske valove z merjenjem polarizacije mikrovalovnega sevanja ozadja. Kmalu se je pokazalo, da ima meritev nekaj metodoloških šibkosti, pred letom dni pa so raziskovalci morali priznati, da njihovi rezultati niso neizpodbiten dokaz za obstoj gravitacijskih valov. Ker odsotnost dokaza ni dokaz neobstoja, se je kasneje začel nov krog iskanja gravitacijskih valov.

Ameriški observatorij LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) ima na dveh konceh ZDA, ki sta medsebojno oddaljena 3000 kilometrov (zvezni državi Washington in Louisiana), izjemno občutljiva instrumenta, ki merita, ali se je razdalja štirih kilometrov kaj skrčila ali raztegnila. Vsak LIGO ima dva štiri kilometre dolga tunela v pravokotnih smereh pod visokim vakuumom, po katerih potuje laserska svetloba. Ta se na viru razdeli v dva snopa, potuje po obeh ceveh in na koncu pristane na detektorju. Če se dolžina ene cevi spremeni, bomo to videli na detektorju, ki meri interferenco. Če enak signal opazimo še na drugem koncu države v primernem časovnem zamiku (hitrost gravitacijskih valov je po Einsteinovi teoriji točno svetlobna hitrost), je to že zelo dober dokaz, da ne gre za naključen šum.

In to se je zgodilo 14. septembra lani. V zamiku 0,007 sekunde sta oba detektorja zaznala zelo podobna vzorca, ki sta posledica spojitve dveh črnih lukenj v smeri Velikega Magellanovega oblaka. Gravitacijski valovi so bili zaznavni tudi na Zemlji, če smo imeli zelo precizne instrumente. Ena črna luknja je imela maso 36 Sončevih, druga pa 29. Izjemno energetski dogodek se je zgodil pred 1,3 milijardami let, a je do Zemlje pripotoval šele sedaj. Verjetnost, da gre za šum, so ocenili na 5,1 sigma, kar je dovolj, da govorimo o odkritju gravitacijskih valov.

Potrditev obstoja gravitacijskih valov je eden najpomembnejših dosežkov fizike v zadnjih sto letih in kot tak predstavlja resnega kandidata za Nobelovo nagrado. Tu je sicer problem, da jo lahko dobijo največ trije, na takem projektu pa v vsakem trenutku dela več tisoč fizikov, a to je že neka druga tema.

LIGO deluje že dlje časa, mu je gravitacijske valove uspelo zaznati šele po zadnji nadgradnji, s katero so potrojili njegovo občutljivost. V letih 2002-2010 je gravitacijske valove iskal zaman. S tem odkritjem smo dobili tudi pomemben košček sestavljanke o mladem vesolju, saj se je to v prvih trenutkih širilo izjemno hitro (inflacijska teorija), kar naj bi se odrazilo v gravitacijskih valovih. Sedaj vemo, da ti kot fenomen sploh obstajajo, torej je smiselno iskati prvobitne gravitacijske valove velikega poka. Meritve pa se bodo nadaljevale tudi v vesolju, saj je Evropska vesoljska agencija v orbito okrog Zemlje in Sonca (Lagrangeva točka 1) poslala satelit, ki prav tako išče gravitacijske valove.