Kaj je gravitacijski šum in zakaj so znanstveniki tako vznemirjeni

Ogromna skupina znanstvenikov z vsega sveta je obelodanila rezultate meritev, s katerimi so prišli doslej najbližje neizpodbitnemu dokazu o obstoju gravitacijskih valov z zelo velikimi valovnimi dolžinami - velikosti svetlobnih let. Gre za pojav, soroden gravitacijskim valovom, ki smo jih odkrili v prejšnjem desetletju, a vseeno toliko drugačen, da zahteva samosvoj način merjenja, z opazovanjem pulzarjev.

Pred osmimi leti smo bili priča enemu najbolj prelomnih dogodkov v opazovanju vesolja, dokazu obstoja gravitacijskih valov, ki so odprli povsem novo polje raziskovanja kozmičnih dogodkov. Napovedal jih je že Albert Einstein s splošno teorijo relativnosti pred več kot stotimi leti, toda ravno stoletje je trajalo, da smo jih ljudje znali dejansko pravilno zaznati. Gravitacijski valovi so gube v strukturi prostor-časa, oziroma vesolja, ki nastanejo ob pospeševanju velikih količin mase - na primer pri zlivanju manjših črnih lukenj. Gravitacijski valovi ob takšnih dogodkih imajo frekvenco med pet in 20.000 herci, oziroma valovno dolžino med nekaj deset in tisoč kilometri. Za njihovo zaznavanje uporabljamo lasersko interferometrijo, pri kateri z natančnimi laserskimi tipali ugotavljamo spremembo razdalje: ena "roka" takšnih detektorjev LIGO v ZDA denimo meri 4 kilometre.

Toda tudi spekter gubanja prostor-časa je veliko širši od zgoraj omenjenega, ki ga motrijo v Ligu ali evropskem observatoriju Virgo. Že v začetku osemdesetih let prejšnjega stoletja so stekli projekti iskanja drugega tipa gravitacijskih valov, z zelo nizkimi frekvencami reda nanohercev, oziroma valovnimi dolžinami pri več svetlobnih letih. Leta 1983 sta namreč ameriška astronoma Ron Hellings in George Downs predlagala inovativno metodo za njihovo zaznavanje: merjenje sprememb v oddajanju milisekundnih pulzarjev. Pulzarji so tip nevtronske zvezde, ki periodično oddaja močan radijski signal, ker se sučejo okoli svoje osi in tako snop radijskega sevanja usmerijo proti Zemlji v enakomernih intervalih, kar je mogoče zaznati z radijskimi teleskopi. Nekateri se sučejo s silovito naglico, s frekvencami več sto ali tisoč hercev; pravimo jim milisekundni pulzarji in so pri svojem gibanju tako zelo konstantni, da so natančnejši od človeških atomskih ur in s tem odlični kozmični merilci časa. Ker so razstreseni vseokoli nas, jih je mogoče pridoma uporabiti za detektorje morebitnih sprememb v razdaljah, ki se odrazijo v zamikih sprejema njihovega signala. Tako smo v bistvu celotno galaksijo spremenili v en ogromen detektor!

Po svetu trenutno delujejo štiri pomembnejše kolaboracije, ki opazujejo milisekundne pulzarje (Pulzar Timing Arrays): najbolj ambiciozna je severnoameriška NANOGrav, s teleskopi, kot je Green Bank Telescope (na sliki) in tragično preminuli Arecibo; sledi evropska EPTA s petimi observatoriji v Nemčiji, Italiji, Franciji, na Nizozemskem in v Veliki Britaniji, ki je prve meritve opravljala že v devetdesetih; Avstralci s Parks Pulzar Arrayjem in pa najmlajši, Kitajci, z modernim gigantskim teleskopom FAST. Omeniti velja tudi Južnoafričane s teleskopom MeerKAT. Ekipe so sicer povezane tudi v organizacijo International Pulzar Timing Array, a si doslej še niso resno delile meritev. To pa se utegne kmalu spremeniti, kajti senzorji in metode očitno počasi na vseh koncih družno dosegajo raven, ko bo mogoče te velike nanoherčne gravitacijske valove naposled dokazati - ne gre pa spregledati tudi dejstva, da morajo tod meritve spričo zelo nizkih frekvenc trajati leta ali celo desetletja!

NANOGrav denimo opisane meritve obdeluje 15 let in letos so si prvič drznili naznaniti, da so verjetno zaznali nanoherčne gravitacijske valove. To pomeni: ne trdijo, da imajo neizpodbiten dokaz, saj še ne zadošča vsem strokovnim kriterijem, toda vse kaže, da do tega ni več daleč. Rezultate so popisali v štirih objavah v reviji The Astrophysical Journal Letters. Za kaj gre? Raziskovalci so tokrat uspeli ujeti dve značilnosti velikih gravitacijskih valov. Najprej popačenje signalov pulzarjev v smeri proti Zemlji. Kot drugo pa tudi značilno sozvočje parov pulzarjev, ki mu pravimo Hellings-Downsova krivulja in ki je posledica dejstva, da takšni gravitacijski valovi prihajajo od vsepovsod, oziroma prežemajo vesolje kot nekakšen "šum ozadja". Ravno vzorci Hellings-Downsove krivulje so doslej v rezultatih manjkali, tokrat pa so jih zaznale tudi druge kolaboracije, ki so prav tako lansirale lastne objave. Zanimivo je, da potrditev navajajo tudi Kitajci, čeprav meritve tečejo šele tri leta - a vendarle imajo na voljo FAST, ki je najbolj občutljiv radijski teleskop na svetu.

Če bomo v bližnji prihodnosti opisani gravitacijski šum res tudi dostojno potrdili, se naloge za astronome in astrofizike v bistvu šele prav pričenjajo - treba bo namreč ugotoviti, kaj so njihovi viri. Trenutno so glavni kandidat pari supermasivnih črnih lukenj, ki nastanejo, ko se združita dve galaksiji in posledično trčita tudi njuni galaktični jedri. Gre za zanimiv astrofizikalni problem, ker goli teoretični izračuni ne dajo gotove napovedi, da se lahko takšen par supermasivnih črnih lukenj dejansko združi. Dokaz obstoja nanoherčnih gravitacijskih valov in pa takšnih parov kot njihovih virov bi dokazal, da se lahko galaktična jedra med seboj zlijejo. Drug, prav tako nadvse zanimiv vir takšnih valov, bi bil lahko gravitacijski šum ozadja, ki izhaja iz zgodnjih časov vesolja, analogno kozmičnemu prasevanju v elektromagnetnem spektru. Obstoj takšnega "gravitacijskega pragubanja" bi bil za znanstvenike še posebno zanimiv, ker obeta, da bi se lahko zazrl še dlje v preteklost kot radijski teleskopi. Doslej znamo namreč gledati tam do obdobij okoli 400.000 let po velikem poku, ko se je velika juha ioniziranih plinov dovolj ohladila, da so nastali prvi atomi (in je nastalo prasevanje). Gravitacije pa naj takšen oblak teoretično ne bi motil.

Nekaj dodatnih odgovorov bi lahko dal evropski vesoljski gravitacijski observatorij LISA, ki naj bi poletel v prihodnjem desetletju. Zaznaval bo namreč spekter gravitacijskih valov med zgoraj opisanima skupinama, ki ju skušamo loviti danes. Med dogodke, ki bi jih LISA lahko ujela, pa sodijo tudi dejanska zlitja supermasivnih črnih lukenj.