Након открића убрзаног ширења свемира крајем 90-их година прошлог века, ниједно космолошко откриће није пробудило овако велико пажњу јавности као што је детекција (први пут у историји науке) гравитационих таласа. Ову вест је објавила данас НАСА на конференцији за медије у 17 часова по нашем времену, а Б92 је ексклузивно објављује.
Наука је стално у покрету, велики и скупи пројекти се одвијају широм света, али је такође уочљиво да нека фундаментална питања и даље остају без одговора. Једно од њих је свакако проблем гравитације. Иако још од раног детињства сазнајемо (емпиријски) да је она присутна, и иако је њену основну формулацију Исак Њутн објавио пре скоро 400 година, научници још увек трагају за одговором на питање ко преноси ту силу и да ли је гравитациони талас могуће некако детектовати?
Са друге стране, ништа мања мистерија није ни потрага за иницијалним условима из којих се догодио Велики прасак. Комбинација ова два велика космолошка питања зато се чини још компликованијим проблемом.
Детаљна мапа микроталасног зрачења направљена телескопом ПЛАНЦК приказана је на врху овог текста. Разлике у температури означене су црвеним и плавим тачкама, и та разлика осликава варијације које су се дешавале у раном Универзуму. Задатак данашњих мисија је да нађу њихове узрочнике.
Хајде прво да кажемо понешто о самом Великом праску, толико често помињаном у медијима и свакодневним расправама. На основу чега верујемо да гравитациони таласи заиста постоје? Наиме, последњих деценија, неколико открића је довело до недвосмисленог закључка да се свемир убрзано шири (откриће микроталасног зрачења, а касније и мерење флуктуација у температури истог тог зрачења) – за то су додељене и Нобелове награде, последња 2011. године управо тиму који је рачунао којом брзином свемир увећава своју “запремину”. Како онда такве закључке повезујемо са прошлошћу, тј. шта нам неравномерна температура свемира и његово ширење могу рећи о првим тренуцима настанка?
Када се уради екстраполација (предвиђање понашања система на основу познатих података) од данашњег ка прошлом космичком времену, Ајнштајнова теорија релативности наводи нас на закључак да су у неком временском тренутку далеке прошлости (најновија мерења сугеришу да су то било пре 13.772 милијарди година) температура и густина биле бесконачно велике. Ако се мало присетимо математике из средње школе, закључићемо да је са тако великим (инфинитним) вредностима немогуће дефинисати неку функцију. Другим речима, општа теорија релативности у таквој средини престаје да важи! Од тог момента, примат преузимају квантни ефекти који су трајали свега 10^-43 секунди! Без обзира на тако сићушну вредност, оно што мислимо да се издешавало у том делићу времена заправо чини основ свега осталог што данас посматрамо у Космосу.
У контексту физике честица, најважнија ствар коју Ајнштајнова општа релативност предвиђа јесу управо гравитациони таласи. Они настају у процесима који садрже интензивно осциловање простор-времена, на пример стапање центара галаксија или пак двојних система компактних космичких објеката (црне рупе, неутронске звезде). За једно такво откриће, додуше посредно, додељена је Нобелова награда 1993. године астрофизичарима Тејлору и Хулсу.
Они су показали гравитациони утицај у трајном смањењу периода орбите двојних неутронских звезда. Време распада такве орбите према теорији релативности савршено је потврђено мерењима ове двојице научника. Међутим, да би се и директно пронашли и детектовали гравитациони таласи, потребни су много моћнији системи.
Шта је значај овог открића и како се до њега дошло?
Прво треба да објаснимо шта је БИЦЕП (Бацкгроунд Имагинг оф Цосмиц Еxтрагалацтиц Поларизатион). У питању је осетљиви радио телескоп који је састављен од 98 осетљивих детектора који се налазе на Јужном Полу, а фреквенција таласа који се снимају је између 100 и 150 ГХз. Заправо, оно што БИЦЕП мери јесте поларизација (оријентација електричног поља тог таласа) у простору. С обзиром да данас знамо да свемир испуњава “космичко позадинско зрачење” које је заправо ништа друго него “охлађено” зрачење заостало из времена раног космоса, тада БИЦЕП мерења добијају на важности, јер директно мере врло осетљиве промене које теорија предвиђа да су се догодиле у оних мајушних 10^-43 секунди.
БИЦЕП детектор на Јужном Полу
БИЦЕП детектор на Јужном Полу
Једно од највећих и најсмелијих теорија је теорија по којој је свемир нагло повећао своју запремину за свега неколико милијардитих делова секунде – тачније, претпоставка је да је ширење било толико брзо и велико, да је температура опала за 100 000 степени! Важна последица тога јесте предвиђање да све што се десило у том кратком, али шокантном периоду свемирске историје, потиче од гравитационог колапса изазваних квантним флуктуацијама. Дакле, оно што се десило у инфлацији одговорно је за изглед спектра поменуте микроталасне позадине. Одатле и идеја да се истраже гравитациони ефекти.
Проблем је, међутим, што је космичка микроталасна позадина много јача од гравитационе позадине. Такође, још много других ефеката отежава мерења, попут галактичке прашине или поларизације које потиче од јаких радио-галаксија. Према томе, БИЦЕП је на Јужном Полу снимао промене у зрачењу које је потекло од времена када је наш свемир био свега 380 хиљада година стар, и када је био довољно прозрачан да пусти те фотоне да отпутују на све стране видљивог Космоса.
Ефекат који су научници детектовали у овом случају је јединствена особина гравитационих таласа – да “скупе” Универзум у једном правцу тако да изгледа топлији на датој мапи, а у другом смеру да развуку простор, што на мапи осликавају хладнија места. Као што смо поменули раније, тешкоћа у анализи оваквих ефеката је огромна јер се ради о разликама у температури мањим од сто хиљадитог дела Келвина!
Ово је кратак видео о томе на који начин су снимљене поменуте флуктуације.
Ово откриће отвара врата за потврду великих теорија које су се трудиле да објасне и предвиде понашање свемира у раним тренуцима, поготово инфлаторну теорију која је предвидела тачан временски размак у којем се енормна експанзија догодила. Због тога смо од данас корак ближи коначном одговору на вечито питање – који су били почетни услови који су довели до Великог праска.
Nature, B92
