Anul în recenzie: undele gravitaționale oferă noi vederi cosmice

Secretele culese de la cei mai misterioși giganți ai universului sunt incongruent de subtile când sunt văzute pe Pământ: detectoarele se mișcă cu o mică fracțiune din lățimea unui proton, emitând un ciripit slab, asemănător unei păsări.

Timp de secole, astronomii au privit în univers aproape exclusiv observându-i lumina. Dar anunțul din 2016 cu privire la prima detectare a undelor gravitaționale, produsă în urmă cu 1,3 miliarde de ani în ciocnirea a două găuri negre monstruoase, a oferit oamenilor de știință un mod cu totul nou de a observa cerul.

Undele au străbătut cosmosul cu viteza luminii și au ajuns pe Pământ exact la timp pentru pornirea Observatorului de unde gravitaționale cu interferometru cu laser avansat, LIGO, care a măsurat întinderea și strângerea minutei a spațiului. Cu o a doua detecție deja înregistrată și așteptată mai mult în 2017, oamenii de știință speră să descopere noi detalii despre găurile negre evazive și perechile lor. În curând, pe măsură ce mai mulți detectoare vor fi conectate, oamenii de știință vor putea chiar să identifice unde provin undele gravitaționale și să inspecteze cerul pentru urmările cataclismelor care le-au provocat.

„Aceasta este o poveste de mare succes a științei”, spune astrofizicianul Avi Loeb de la Universitatea Harvard, care nu a fost implicat în detecție. Este genul de descoperire majoră care apare doar o dată la câteva decenii, spune el.

Povestea continuă după videoclip

RIPPLES SPAȚIALULUI Oamenii de știință au anunțat anul acesta detectarea directă a undelor gravitaționale. Iată tot ce trebuie să știi despre aceste tolbe din spațiu-timp.H. Thompson, E. Otwell, LIGO, SXS, NASA

Pe 11 februarie, oamenii de știință LIGO au anunțat descoperirea la o conferință de presă la Washington, DC și într-o lucrare publicată în Scrisori de revizuire fizică. De la publicare, lucrarea a strâns aproximativ 100 de citări pe lună, dovadă a unei concentrări nou intensificate asupra valurilor. Unii fizicieni și-au dedicat cariere întregi pentru a găsi tremurături spațiu-timp, care vor fi o binefacere pentru cercetători timp de decenii, dacă nu de secole.

Modelele de ondulații au apărut aproape simultan în cele două detectoare enorme în formă de L ale LIGO — în Hanford, Wash. și Livingston, La. — pe 14 septembrie 2015. Semnalul se potrivea îndeaproape cu cel așteptat de la o pereche de găuri negre care spirală în jurul valorii de unul de altul, apropiindu-se din ce în ce mai mult înainte de a se contopi într-una. În primele etape ale do-si-do, cele două găuri negre aveau aproximativ 35 și 30 de ori masa soarelui. Behemoths s-au topit într-o gaură neagră de 62 de ori masa soarelui, eliberând trei mase de sori în valoare de energie (SN: 3/5/16, str. 6; SN: 7/9/16, str. 8). Când oamenii de știință au transformat undele gravitaționale în unde sonore, acestea au produs ceva asemănător ciripitului zilnic al unei păsări, crescând rapid în înălțime și volum înainte de a se întrerupe. Sunetul a părut o întrebare plângătoare, de parcă universul ar fi întrebat: „Alo? Este cineva acolo?” De data aceasta, răspunsul a fost da.

Luată în sine, descoperirea a fost un blockbuster – confirmând predicția lui Einstein că spațiu-timpul se poate ondula, oferind o nouă privire intimă asupra găurilor negre și verificând calculele astrofizicienilor cu privire la modul în care două găuri negre pot fuziona într-una singură. Dar statutul de reper al detectiei se datorează în mare parte promisiunii sale viitoare. Se așteaptă ca LIGO să inaugureze o nouă eră a astronomiei, în care detectările undelor gravitaționale ar putea deveni obișnuite. Găurile negre, anterior întunecate pentru omenire, își vor comunica în mod regulat coalescențele către Pământ.

În căutarea acestui nou tip de astronomie, oamenii de știință urmăresc undele gravitaționale de zeci de ani. După o căutare atât de lungă, a fost „incredibil de îmbucurător”, spune David Shoemaker, liderul eforturilor LIGO la MIT, „să mă trezesc dimineața și să știu în oasele mele” că undele gravitaționale au fost în sfârșit detectate.

Aproape de îndată ce detectoarele actualizate de la LIGO au fost pornite, undele gravitaționale s-au ondulat, modificând ușor lungimea detectorilor ultrasensibili LIGO. „Am oprit comutatorul și am spus: „OK, vom începe să alergăm” și boom”, spune directorul executiv al laboratorului LIGO, David Reitze, de la Caltech. Această detectare rapidă a stârnit speranțe în rândul astrofizicienilor care visează cu ochii deschiși la seturi de date cu zeci sau sute de astfel de evenimente.

Cu fiecare nouă coalescență, oamenii de știință vor afla mai multe despre cât de comune sunt perechile de găuri negre, precum și despre proprietățile găurilor negre și ale stelelor pe moarte care s-au prăbușit în uitare pentru a le crea. „Ceea ce învățăm cu adevărat când studiem aceste găuri negre sunt stelele care au fost progenitorii lor”, spune Daniel Holz, membru LIGO de la Universitatea din Chicago. „De la stele, învățăm atunci despre universul timpuriu.”

Oamenii de știință speră să reconstruiască modul în care perechile de găuri negre se găsesc una pe cealaltă în universul singuratic. Există două teorii principale concurente: două stele s-ar putea naște împreună ca niște gemeni, fiecare prăbușindu-se mai târziu într-o gaură neagră, sau găurile negre s-ar putea întâlni mai târziu în viață, în sisteme dense în care multe găuri negre și stele interacționează (SN Online: 19.06.16).

Demonstrând că detectarea nu a fost o întâmplare, oamenii de știință de la LIGO au raportat, pe 15 iunie, că au observat tolbele unei perechi mai mici de găuri negre care fuzionează (SN: 7/9/16, str. 8). LIGO s-a oprit pentru upgrade-uri în urma celor două detectări, dar a repornit din nou în noiembrie. Îmbunătățirile ulterioare ale detectorilor LIGO le vor spori sensibilitatea, permițându-le să prindă ondulații și mai slabe. Când aceste upgrade-uri vor fi finalizate – poate până în 2019 – oamenii de știință ar putea vedea fuziuni ale găurilor negre la fel de frecvent ca o dată pe zi.

Odată cu primele detectări, fizicienii au folosit datele LIGO pentru a confirma teoria generală a relativității a lui Einstein într-un mediu mai extrem decât oricând. „Este un triumf”, spune Loeb. Dar detecțiile viitoare vor adăuga și mai multă precizie testelor de relativitate generală. Orice abatere de la așteptări ar putea semnala un fel în care teoria lui Einstein se defectează. Ecuațiile relativității generale sugerează, de asemenea, că găurile negre nu au „păr” sau caracteristici distinctive în afară de masă, sarcină electrică și moment unghiular. Dar acest lucru duce la o enigmă despre ce se întâmplă cu informațiile înghițite de gaura neagră (SN: 10/3/15, str. 10). În viitor, oamenii de știință ar putea folosi undele gravitaționale pentru a testa dacă teorema fără păr este adevărată.

Descoperirea „a injectat mult elan în domeniu”, spune Emanuele Berti, astrofizician la Universitatea din Mississippi din Oxford.

Un alt detector de unde gravitaționale, Virgo, din Italia, este în curs de modernizare și ar trebui să fie pornit în 2017 (SN: 3/5/16, str. 24). Trioul de detectoare – Virgo, plus cei doi LIGO – le va oferi oamenilor de știință capacitatea de a localiza sursele undelor gravitaționale pe cer. Guvernul Indiei ia, de asemenea, măsuri pentru crearea unui observator al undelor gravitaționale. Și proiectele conexe atrag mai multă atenție: rezultatele anunțate în iunie de la satelitul LISA Pathfinder al Agenției Spațiale Europene au demonstrat capacitățile tehnologice necesare pentru a căuta unde gravitaționale nu din sol, ci din spațiu (SN Online: 6/7/16).

Dacă cercetătorii pot triangula sursa undelor, ei pot îndrepta telescoapele în acea direcție pentru a observa orice consecință luminoasă. Un astfel de semnal ar fi neașteptat pentru găurile negre umbroase, dar ele nu sunt singura sursă. Oamenii de știință se așteaptă să găsească ondulații de la spargerile de stele neutronice, care ar putea produce lumină detectabilă. Dacă norocul este de partea lui LIGO și o stea explodează în Calea Lactee, LIGO ar putea fi capabil să-și găsească și consecințele gravitaționale.

Combinarea undelor gravitaționale cu alți mesageri din spațiu, inclusiv cu diferite lungimi de undă de lumină și particule precum neutrinii, va crea un set de instrumente divers pentru observarea cosmosului. Oamenii de știință ar putea găsi chiar surse neprevăzute de unde gravitaționale, spune Loeb. „Există șansa ca imaginația noastră să fie limitată.”